FR2927394A1 - Dispositif de transmission pour machine de production d'electricite a partir d'une source motrice a vitesse variable, unite de production electrique et eolienne ainsi equipees, et procede de reglage d'un rapport de transmission - Google Patents

Dispositif de transmission pour machine de production d'electricite a partir d'une source motrice a vitesse variable, unite de production electrique et eolienne ainsi equipees, et procede de reglage d'un rapport de transmission Download PDF

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Abstract

Deux mécanismes différentiels identiques 13, 113 sont montés en parallèle entre l'arbre d'entrée 11 relié à l'hélice 1 de l'éolienne par un multiplicateur de vitesse 4, et l'arbre de sortie 12 relié à une génératrice synchrone 3. Les deux roues planétaires 14, 114 sont solidaires de l'arbre de sortie 12. Les deux porte-satellites 17, 117, sont solidaires de l'arbre d'entrée 11. Les deux couronnes 16, 116 tournent donc à la même vitesse. Elles sont reliées par des rapports de transmission légèrement différents 66, 166, dont l'un en outre est inverseur par rapport à l'autre, aux deux éléments d'entrée 22, 23 d'un différentiel comparateur 141. La cage 146 de ce différentiel tourne à une vitesse égale à la demi-différence entre les valeurs absolues des vitesses de rotation des éléments 22 et 23. Après multiplication par un engrenage 147, 148, cette faible vitesse est appliquée au rotor 133 d'un appareil de régulation 32 tel qu'une génératrice électrique. On règle ou on régule le rapport de transmission par modification du couple exercé par la génératrice de régulation 32.Utilisation pour parfaitement stabiliser la vitesse de rotation de la génératrice synchrone 3, et permettre son raccordement permanent au réseau, en mettant en jeu une faible énergie dans l'appareil de régulation 32. Voir figure 9

Description

Description Dispositif de transmission pour machine de production d'électricité à partir d'une source motrice à vitesse variable, unité de production électrique et 5 éolienne ainsi équipées, et procédé de réglage d'un rapport de transmission . La présente invention concerne le domaine des éoliennes ou tout autre domaine dans lequel une génératrice électrique doit être reliée à une source motrice à vitesse variable. L'invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif de transmission pour machine de production d'électricité à partir d'une source motrice rotative à vitesse variable, notamment une hélice d'éolienne.
15 L'invention concerne également une unité de production d'électricité convenant pour être entraînée par une hélice d'éolienne.
L'invention concerne encore une éolienne équipée du dispositif de transmission ou de l'unité de production d'électricité. L'invention concerne aussi un procédé de réglage d'un rapport de transmission.
À l'heure actuelle, l'utilisation des éoliennes est encore limitée car leurs coûts 25 de production et d'exploitation est encore trop élevé par rapport à leur efficacité. Il est ainsi primordial de faire baisser le coût du kilowatt produit par les éoliennes. Ceci est même une condition nécessaire à l'essor des éoliennes de grande puissance, pouvant atteindre plusieurs mégawatts.
30 Une des difficultés majeures est de produire un courant stable en fréquence malgré les très grandes variations de la vitesse de rotation de l'hélice, liées aux variations, également très grandes, de la vitesse du vent. On cherche usuellement à faire fonctionner les éoliennes lorsque la vitesse du vent est 10 20 comprise entre une vitesse minimale proche de zéro et une vitesse maximale de l'ordre de 15 m par seconde. La vitesse de rotation de l'hélice de l'éolienne varie alors typiquement entre 1 et 30 tours par minute.
Diverses propositions visent à pallier cette difficulté. Tout d'abord, la très grande majorité des éoliennes installées comprend une génératrice asynchrone, tolérant de petites variations de vitesse de l'arbre d'entrée de la génératrice. Pour augmenter l'adaptation à des plages de vitesse plus étendues, certains constructeurs équipent leurs éoliennes de deux génératrices, une petite pour les périodes de vent faible et une plus grosse pour les périodes de vent fort.
On connaît également des éoliennes pourvues d'une génératrice à nombre de pôles variable. Par des modifications du raccordement des pôles, une telle génératrice peut fonctionner avec différents nombres de pôles, et donc accepter des vitesses de rotation différentes.
Dans tous les cas, la fréquence du courant électrique produit varie en fonction de la vitesse de rotation de la génératrice, ce qui rend impossible le branchement sur le réseau ou nécessite une transformation complexe pour obtenir une fréquence compatible avec celle du réseau. En particulier, une technologie à deux génératrices impose un basculement d'une génératrice à l'autre dans l'alimentation du réseau électrique, et donc la nécessité d'adapter régulièrement la fréquence et la phase du courant produit à celle du réseau. Ce problème augmente le prix de l'installation et ne permet pas d'augmenter significativement l'efficacité de l'éolienne.
On connaît également un dispositif de transmission pour une génératrice d'éolienne d'après le document WO 2004/088132 Al. Ce dispositif utilise une voie principale de transmission de vitesse entre l'hélice et le rotor de la génératrice, et une voix de régulation parallèle dans laquelle est prévu un convertisseur de couple hydraulique. Mais la stabilisation de la vitesse d'entraînement de la génératrice n'est pas suffisante. La fréquence du courant produit fluctue entre 50 et 60 Hertz. Le convertisseur dissipe de l'énergie sous forme de chaleur.
Le document WO 81/01444 prévoit entre l'hélice et l'axe de la génératrice, une voie de régulation parallèle passant par un variateur hydraulique, mécanique ou électrique. Le variateur est commandé en fonction de deux signaux représentatifs de la vitesse de l'hélice d'une part, et de la vitesse de l'axe de la génératrice d'autre part. Ce variateur fonctionnant en moteur nécessite une énergie de commande élevée, qui consomme au moins 10 à 15 % de l'énergie produite par la génératrice.
Dans la plupart des réalisations actuelles, notamment celles commentées ci- dessus, le courant produit est utilisable dans un réseau local, par exemple un groupe de maisons. Il est par contre beaucoup plus difficile, ou impossible de raccorder ces éoliennes au réseau national.
Le but de la présente invention est de remédier au moins à une partie des inconvénients précédents, en vue notamment de réduire le coût et/ou la complexité, et/ou améliorer le rendement énergétique et/ou la stabilité en fréquence de la production d'électricité.
Suivant l'invention, le dispositif de transmission pour machine de production d'électricité à partir d'une source motrice rotative à vitesse variable, en particulier une hélice d'éolienne, comprenant un bâti, un arbre d'entrée relié à la source motrice, un arbre de sortie relié à un rotor de la machine, et au moins deux trajets de transmission dont l'un au moins passe par un mécanisme différentiel à au moins trois organes rotatifs, est caractérisé en ce que l'un des trajets de transmission comporte deux éléments rotatifs qui sont en relation de couplage dynamique et de découplage cinématique, et qui ont l'un par rapport à l'autre, du fait de la liaison de chacun d'eux avec le reste du dispositif de transmission, une vitesse relative provoquant une rotation relative dans un appareil de régulation qui établit entre les éléments rotatifs un couple variant dans le sens d'un maintien du rotor de la machine à vitesse déterminée, en particulier sensiblement constante. Dans un mode de réalisation, la variation du couple est définie par une relation caractéristique de l'appareil entre son couple et une vitesse de rotation dans l'appareil. En variante, la variation du couple est définie par un pilotage, en particulier une boucle de régulation de la vitesse du rotor de la machine.
La variation du couple exercé par l'appareil de régulation entre les deux éléments rotatifs permet, de manière très simple, d'influer sur le rapport de transmission établi par le mécanisme différentiel, et donc sur le rapport de transmission entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie du dispositif de transmission.
Ainsi, le dispositif de transmission selon l'invention permet si on le souhaite de maintenir une vitesse déterminée, typiquement sensiblement constante à l'entrée de la machine de production d'électricité alimentant le réseau, même lorsque la vitesse de rotation de la source motrice est extrêmement faible, voisine par exemple de 1 tour par minute.
Le dispositif de transmission donne ainsi, par exemple, la possibilité de maintenir en permanence l'alimentation du réseau par la machine de production d'électricité, ce qui évite d'avoir à adapter fréquemment la fréquence du courant électrique produit par la machine à la fréquence du réseau, et dispense donc de prévoir des équipements encombrants et coûteux à cette fin.
La puissance maximale de l'appareil de régulation peut rester extrêmement limitée, par exemple de l'ordre de 3 à 5 %, ou même moins, de la puissance de la machine principale.
L'appareil de régulation peut être un moteur qui injecte dans le dispositif de transmission un surcroît d'énergie mécanique que l'on retrouve comme un supplément sur l'arbre de sortie pour entraîner la machine de production d'électricité. Si ce moteur de régulation est électrique, il peut être alimenté par de l'électricité prélevée sur celle produite par la machine de production d'électricité.
De préférence, cependant, selon l'invention, l'appareil de régulation est une génératrice électrique. Une telle génératrice permet d'alimenter électriquement divers organes fonctionnels d'une éolienne ou autre forme d'unité de production d'électricité. De tels organes fonctionnels sont par exemple un moteur d'orientation de l'éolienne, ou un moteur d'orientation des pales d'hélice, des dispositifs d'éclairage ou de signalisation lumineuse etc. L'électricité excédentaire peut alimenter des batteries d'accumulateurs et/ou un moteur électrique entraînant l'arbre de sortie du dispositif de transmission pour accroître la puissance mécanique fournie à la machine de production d'électricité.
Lorsqu'elle est pilotable, la génératrice ou autre appareil de régulation peut être commandée par un signal électrique unique, ce qui autorise une grande précision de régulation. Le signal électrique peut être généré d'après une comparaison permanente ou cyclique entre la vitesse de rotation du rotor de la machine de production et une consigne fixée à l'avance pour cette vitesse.
On peut également prendre en compte la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée pour générer une valeur de base du signal, la régulation de la vitesse du rotor de la machine de production se faisant par variation de la valeur du signal autour de cette valeur de base.
L'appareil de régulation peut être une génératrice électrique du type à nombre de pôles variable. Une telle génératrice est capable de fonctionner avec, entre son rotor et son stator, une vitesse électrique différente de la vitesse cinématique. Ceci est avantageux pour optimiser le rendement et la puissance de la génératrice électrique lorsque l'agencement du dispositif de transmission et les conditions de fonctionnement attendues font prévoir de grandes variations de la vitesse cinématique du rotor par rapport au stator dans la génératrice de régulation.
Il est possible d'installer l'appareil de régulation directement entre les deux éléments. Autrement dit, il y a dans l'appareil de régulation une vitesse relative qui est égale à la différence de vitesse de rotation des deux éléments. Par exemple, le rotor d'une génératrice électrique tourne avec l'un des éléments, tandis que le constituant habituellement appelé stator est ici un élément tournant avec l'autre élément. Dans cette disposition, des liaisons tournantes sont nécessaires pour le raccordement énergétique, typiquement électrique, de l'appareil de régulation, de même que pour son pilotage et autre liaisons éventuelles de commande et de régulation. Par ailleurs, dans l'exemple typique d'une génératrice électrique, un tel appareil ne fonctionne de façon satisfaisante que si la vitesse relative entre le rotor et stator est au moins de l'ordre de 1000 tours par minute. Il en résulte pour l'appareil de régulation une certaine valeur de puissance.
L'invention propose une alternative avantageuse à la solution consistant à monter directement l'appareil entre les deux éléments rotatifs. Suivant cette particularité avantageuse de l'invention, les deux éléments sont raccordés aux deux entrées d'un engrenage différentiel comparateur ayant une sortie rotative indicatrice de la différence, éventuellement pondérée, des valeurs absolues des vitesses de rotation des deux éléments, et l'arbre de l'appareil est raccordé à la sortie rotative.
Typiquement, l'appareil est alors monté entre la sortie rotative et le bâti, et, selon une autre particularité avantageuse, le dispositif comprend des moyens pour multiplier la vitesse de rotation de l'arbre de l'appareil par rapport à celle de la sortie rotative de l'engrenage différentiel comparateur.
Ainsi, l'appareil de régulation peut avoir un stator fixe, et la valeur absolue de la vitesse de son rotor ou autre partie mobile est considérablement réduite. Les raccords tournants ne sont plus nécessaires, et on peut avoir entre les deux éléments tournants une différence de vitesse aussi faible que l'on veut puisqu'on peut multiplier autant qu'on le veut la vitesse d'entrée de l'appareil par rapport à la vitesse de sortie du différentiel comparateur.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens pour faire tourner les deux éléments rotatifs en sens inverse l'un de l'autre.
L'engrenage différentiel comparateur peut alors être d'un type possédant des satellites engrenant avec deux planétaires opposés. Les satellites sont portés par une cage qui tourne à une vitesse égale à la moyenne algébrique (donc la moitié de la différence des valeurs absolues lorsque les vitesses sont inverses l'une de l'autre) des vitesses des deux planétaires constituant chacun l'un des éléments.
Un engrenage différentiel comparateur capable de fournir en sortie une vitesse indicative de la différence, éventuellement pondérée, entre deux vitesses de rotation de même sens est également concevable, comme on le verra dans la description des exemples.
On appelle différence pondérée différence calculée entre deux valeurs (deux vitesses) multipliées par des coefficients différents. On obtient ainsi, par exemple, une différence pondérée non nulle lorsque les vitesses de rotation ont des valeurs absolues égales. Ceci peut être utile dans certains modes de réalisation décrits plus loin, en particulier pour générer dans l'appareil de régulation une vitesse proportionnelle à la valeur absolue de la vitesse de rotation des deux éléments.
D'une manière plus générale, l'invention enseigne de réaliser une interruption cinématique entre deux éléments qui sont mécaniquement en série le long d'un trajet de transmission, de raccorder ces deux éléments aux deux entrées d'un engrenage différentiel comparateur agencé pour que la sortie rotative de cet engrenage différentiel comparateur tourne à une vitesse représentative de la différence, éventuellement pondérée, entre les valeurs absolues des vitesses des deux éléments, de raccorder la sortie rotative à un appareil de régulation dynamique de prélèvement d'énergie, tel qu'une génératrice électrique, une pompe, etc., ou d'injection d'énergie, tel qu'un moteur, cet appareil réalisant soit par sa caractéristique propre soit par un pilotage qui lui est associé un réglage ou une régulation de la vitesse de rotation du trajet de transmission, du couple transmis par le trajet de transmission, du glissement entre les vitesses de rotation des deux éléments, ou etc.
De préférence, le trajet de transmission comportant les deux éléments comprend des moyens de multiplication de la vitesse de rotation de chaque élément. Ainsi, les deux éléments tournent plus vite et une différence de vitesse donnée entre les deux éléments correspond à une moindre puissance de l'appareil de régulation et à une moindre proportion de la puissance transitant par le trajet de transmission.35 Dans un mode de réalisation simple, l'un des éléments est en relation d'engrènement à rapport fixe avec l'un des arbres d'entrée et de sortie, et l'autre élément est en relation d'engrènement à rapport fixe avec un organe rotatif du mécanisme différentiel, lequel organe rotatif est lui-même en relation d'engrènement à rapport variable avec chacun des arbres d'entrée et de sortie.
Dans un mode de réalisation préféré, l'au moins un mécanisme différentiel comprend deux mécanismes différentiels comprenant chacun trois organes rotatifs, et les au moins deux trajets de transmission comprennent trois trajets de transmission reliant chacun un organe rotatif de l'un des mécanismes à un organe rotatif respectif de l'autre mécanisme.
Typiquement, les deux éléments font alors partie de l'un des trois trajets. 15 Ce mode de réalisation permet de faire en sorte que les deux éléments tournent en permanence à des vitesses dont les valeurs absolues peuvent être très proches l'une de l'autre ou même égales, de sorte que l'énergie mise en jeu dans l'appareil de régulation peut être très petite, en théorie 20 aussi petite qu'on le veut, même si le rapport de transmission entre l'arbre d'entrée et la sortie du dispositif de transmission varie dans une très grande plage.
De préférence, l'un des trois trajets est un trajet d'entrée comprenant un 25 organe de transmission solidaire de l'arbre d'entrée, et un autre des trois trajets est un trajet de sortie comprenant un organe de transmission solidaire de l'arbre de sortie. Ainsi, on peut considérer le dispositif de transmission comme comportant deux mécanismes différentiels montés en parallèle entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie, et couplés en outre l'un 30 avec l'autre par le troisième trajet de transmission.
Le dispositif comporte une différence entre les deux mécanismes différentiels, et/ou une différence dans l'un au moins des trajets de transmission, et/ou une différence dans le couplage des deux éléments 35 rotatifs avec l'appareil de régulation de sorte que le régime de fonctionnement du dispositif de transmission est dépendant de l'action dynamique de l'appareil de régulation.
Dans un mode de réalisation approprié notamment lorsque la machine de production d'électricité doit être régulée à vitesse constante et que par conséquent le rapport de transmission est une fonction directe de la vitesse de l'arbre d'entrée, la vitesse de rotation appliquée à l'appareil par les deux éléments varie en fonction de la vitesse de l'arbre d'entrée. Ainsi, la vitesse de rotation de l'appareil définit le rapport de transmission.
Dans le cas, tel que celui d'une source motrice constituée par une hélice d'éolienne, où le couple moteur appliqué à l'arbre d'entrée augmente avec la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée, il est avantageux que la vitesse de rotation appliquée à l'appareil augmente lorsque la vitesse de l'arbre d'entrée augmente. Ainsi, lorsque l'appareil, tel qu'une génératrice électrique, présente lui-même une caractéristique de couple qui augmente avec sa vitesse de rotation, l'augmentation du couple de la génératrice électrique accompagne l'augmentation du couple dans le trajet de transmission comportant les deux éléments. L'ensemble peut être capable de se réguler automatiquement. Une régulation plus fine est réalisable, par exemple en faisant varier l'excitation appliquée à un appareil de régulation constitué par une génératrice électrique. L'un des mécanismes différentiels peut être monté pour avoir deux de ses organes rotatifs en liaison respectivement avec l'arbre d'entrée et avec l'arbre de sortie, et un troisième organe rotatif produisant une moyenne, éventuellement pondérée, de la vitesse de l'arbre d'entrée et de la vitesse de l'arbre de sortie. La pondération est choisie pour que, en fonction notamment de la vitesse de l'arbre d'entrée, la moyenne ainsi obtenue, appliquée au moins indirectement au troisième organe rotatif de l'autre mécanisme différentiel, fasse produire par cet autre mécanisme différentiel le rapport de transmission voulu entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie. Dans cet ensemble, comme précédemment, l'un des trajets de transmission comporte une interruption cinématique pontée par un couplage dynamique assuré par l'appareil de régulation.35 De préférence, les deux mécanismes différentiels sont identiques. Dans une première version, au moins un des trois trajets de transmission définit entre les deux organes rotatifs qu'il relie un rapport de transmission différent de celui défini par un autre des trois trajets entre les deux organes rotatifs reliés par cet autre trajet.
De préférence, les mécanismes sont identiques et deux des trois trajets de transmission définissent des rapports de transmission identiques et constituent en particulier des liaisons rigides assurant chacune une rotation commune d'un organe rotatif de l'un des mécanismes différentiels et d'un organe rotatif respectif de l'autre mécanisme différentiel.
Le troisième trajet, reliant entre eux les deux troisièmes organes rotatifs des deux mécanismes différentiels, peut présenter un rapport de transmission mécanique différent pour générer une différence de vitesse entre les deux éléments rotatifs.
Dans une deuxième version, les deux mécanismes différentiels sont d'architecture identique et présentent une différence de rapport de denture.
Les trois trajets de transmission définissent alors, de préférence, des rapports de transmission identiques. Avantageusement, les deux mécanismes sont coaxiaux et l'un au moins des trajets de transmission, de préférence deux des trois trajets de transmission sont des liaisons assurant une rotation commune de deux organes rotatifs appartenant chacun à l'un des mécanismes.
Notamment dans les applications comme les éoliennes requérant de forts rapports de surmultiplication de la vitesse de l'arbre de sortie par rapport à la vitesse de l'arbre d'entrée et/ou une large gamme de rapports, le mécanisme différentiel est de préférence réalisé sous la forme d'un train épicycloïdal, comprenant une roue planétaire reliée à l'arbre de sortie, une couronne dentée constituant un organe rotatif de réaction, et un portesatellite(s) relié à l'arbre d'entrée et supportant au moins un équipage de deux satellites montés en cascade, dont l'un engrène avec la roue planétaire et l'autre avec la couronne dentée. Un tel type de mécanisme différentiel a la particularité remarquable de fournir un rapport de surmultiplication variant de 1 à l'infini lorsque la vitesse de la couronne varie, respectivement, d'une vitesse égale à la vitesse de la roue planétaire à une vitesse égale à une fraction de la vitesse de la roue planétaire. Ladite fraction est égale au rapport de denture entre la roue planétaire et la couronne. On peut très avantageusement choisir un tel mécanisme différentiel dans lequel le nombre de dents de la couronne est le double de celui de la roue planétaire.
Selon un second objet, l'invention concerne une unité de production d'électricité comprenant un dispositif de transmission selon le premier objet, et une machine de production d'électricité du type synchrone. L'invention permet en effet de réaliser une parfaite stabilisation de la vitesse de rotation de la machine de production d'électricité qui délivre par conséquent un courant stable en fréquence et en phase.
De préférence, l'unité de production d'électricité comprend un capteur de la vitesse de rotation du rotor de la machine de production d'électricité, et une boucle de régulation de cette vitesse de rotation, qui commande l'appareil en fonction de l'écart entre la vitesse de rotation du rotor et une consigne.
Selon un troisième objet, l'invention concerne une éolienne comprenant un dispositif de transmission selon le premier objet, et/ou une unité de production d'électricité selon le deuxième objet.
Suivant un autre aspect de l'invention, le procédé pour régler un rapport de transmission entre une source motrice et une charge, est caractérisé en ce qu'on place entre la source motrice et la charge deux mécanismes différentiels ayant chacun au moins trois organes rotatifs, chaque organe rotatif de l'un des mécanismes étant relié à un organe rotatif respectif de l'autre mécanisme par un trajet de transmission respectif, l'un des trajets comprenant deux éléments rotatifs reliés par l'action d'un appareil de couplage dynamique, et on règle l'appareil de couplage.
D'autres particularités et avantages de l'intention ressortiront encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs.35 Aux dessins annexés : - - la figure 1 est une vue axiale schématique d'un premier mode de réalisation d'une éolienne selon l'invention ; - - la figure 2 est une vue de face de principe du train épicycloïdal utilisé dans l'éolienne de la figure 1 ; - - la figure 3 est une demi-vue de face du train épicycloïdal, illustrant certaines de ses caractéristiques dimensionnelles géométriques et de fonctionnement ; - - les figures 4 à 10 sont des vues analogues à la figure 1, mais relatives à d'autres modes de réalisation ; et - - les figures 11 et 12 représentent deux variantes pour le différentiel comparateur.
Les hachures dessinées sur les éléments tournants indiquent leurs sens de rotation. Dans le cas des satellites, il s'agit du sens de rotation autour de leur propre axe.
Dans l'exemple représenté à la figure 1, l'éolienne qui n'est que partiellement représentée, comprend une hélice 1 qui entraîne le rotor 2 d'une machine de production d'électricité 3 par l'intermédiaire d'un surmultiplicateur d'entrée 4 suivi d'un dispositif de transmission 6 selon l'invention. Le stator 7 de la machine 3 est fixé à un bâti 8 qui n'est que symbolisé. Grâce à l'invention, la machine de production d'électricité 3 peut être une génératrice synchrone tournant à une vitesse parfaitement stabilisée, par exemple 1500 tours par minute, produisant de manière stable un courant de 50 Hertz compatible avec le réseau. L'hélice 1 tourne à une vitesse très variable typiquement comprise entre 1 et 30 tours par minute en fonction de la force du vent. Le surmultiplicateur 4 accroît cette vitesse en la multipliant par un facteur constant, par exemple un facteur 50. L'arbre de sortie du surmultiplicateur 4, qui constitue en même temps un arbre d'entrée 11 du dispositif de transmission 6 tourne ainsi, dans cet exemple, à une vitesse comprise entre 50 et 1500 tours par minute. Le dispositif de transmission 6 établit un rapport de transmission qui varie de façon continue pour multiplier de 30 fois à une fois la vitesse de rotation de son arbre de sortie 12 solidaire du rotor 2 de la machine 3 par rapport à la vitesse de rotation de son arbre d'entrée 11.
Le dispositif de transmission 6 comprend un mécanisme différentiel 13, dans cet exemple un train planétaire ou épicycloïdal, composé de trois organes rotatifs, à savoir une roue planétaire 14 reliée à l'arbre de sortie 12, une couronne dentée 16 constituant un organe rotatif de réaction, et un porte-satellites 17 relié à l'arbre d'entrée 11. Le porte-satellites 17 supporte au moins un équipage de deux satellites 18, 19 montés en cascade, qui engrènent l'un avec l'autre. Le satellite 18 engrène avec la denture extérieure de la roue planétaire 14 et le satellite 19 engrène avec la denture intérieure de la couronne dentée 16.
Ce type de train épicycloïdal à paires de satellites en cascade présente les particularités suivantes : pour un rapport de transmission égal à 1 :1 entre l'arbre d'entrée 11 et l'arbre de sortie 12, la roue planétaire 14, la couronne 16 et le porte-satellites 17 tournent à la même vitesse. Pour un rapport de transmission égal à 30 :1 (vitesse de rotation de l'arbre de sortie 12 trente fois plus grande que la vitesse de rotation de l'entrée 11), la couronne 16 tourne dans le même sens que les arbres d'entrée 11 et de sortie 12 et à une vitesse qui est voisine de la vitesse de rotation de la roue planétaire 14 multipliée par le rapport R1 / R2. Dans cette expression, R1 est le rayon de denture de la roue planétaire et R2 le rayon de denture de la couronne 16 (voir figure 3). Autrement dit, de façon remarquable, si l'on choisit pour le rapport R1 / R2 une valeur très raisonnable de 1/2, la vitesse de rotation de la couronne 16 reste toujours orientée dans le même sens et ne varie que dans un rapport 2 lorsque la vitesse d'entrée Ve, et avec elle le rapport de transmission global Vs/Ve, varient dans un rapport 30. Le couple de réaction CR à appliquer sur la couronne 16 doit être orienté dans le sens inverse du sens de rotation SR de l'arbre d'entrée 11. Dans la représentation de la figure 3, on appelle o une rotation effectuée par le porte satellites 17 entre la position représentée en trait pointillé et celle représentée en trait plein. Lorsque les trois organes rotatifs 14, 16, 17 tournent dans le même sens, la roue planétaire 14 et la couronne 16 effectuent chacune une rotation égale à celle o du porte-satellites 17, augmentée d'un angle 1 et respectivement 2. Ces deux angles sont dans le rapport 2/ 1=R1/R2 car ils correspondent à des longueurs d'arc égales.
Ainsi, le rapport de transmission est égal à ( o + 1)/ o. L'angle o représente la vitesse d'entrée Ve de l'arbre d'entrée 11 et ( o + 1) représente la vitesse de sortie Vs que l'on souhaite réguler à 1500 tours par minute. D'après ce qui précède, la vitesse Vc de la couronne 17 se calcule comme suit : Vc = Ve + (Vs - Ve)(R1 / R2).
Le dispositif de transmission selon l'invention régule la vitesse de rotation Vc de la couronne 16 pour que grâce à la relation ci-dessus l'arbre de sortie 12 tourne à la valeur VS voulue et/ou que le rapport VS/Ve prenne la valeur voulue.
Pour permettre le pilotage de la vitesse de rotation de la couronne 16, le dispositif de transmission 6 selon l'invention définit entre l'arbre d'entrée 11 et l'arbre de sortie 12, deux trajets de transmission TC et TD. Le trajet cinématique TC comprend le mécanisme différentiel 13 et un arbre intermédiaire 21 reliant rigidement la roue planétaire 14 avec l'arbre de sortie 12. Le trajet dynamique TD comprend le mécanisme différentiel 13, et une interruption cinématique pontée par une liaison dynamique particulière entre la couronne 16 et l'arbre de sortie 12.
Plus particulièrement, le trajet de transmission TD comporte deux éléments rotatifs 22, 23 qui sont en relation de transmission de puissance tout en étant découplés cinématiquement et en ayant une vitesse relative provoquant une rotation relative de l'un par rapport à l'autre. Dans cet exemple de réalisation, le premier élément rotatif 22 tourne à une vitesse qui est dans un rapport fixe avec la vitesse de rotation de la couronne 16. À cet effet, le premier élément rotatif 22 est solidaire d'un pignon 24 qui engrène avec une denture extérieure 22 de la couronne 16. Le deuxième élément rotatif 23 tourne à une vitesse qui est dans un rapport fixe avec la vitesse de l'arbre de sortie 12. À cet effet, le deuxième élément rotatif 23 est solidaire d'un pignon 27 qui engrène avec une roue dentée 28 solidaire de l'arbre de sortie 12. L'arbre intermédiaire 21 s'étend entre la roue planétaire 14 et la roue dentée 28. Ainsi, les trajets de transmission TC et TD sont raccordés l'un à l'autre à une extrémité par le mécanisme différentiel 13 et à l'autre extrémité par la roue dentée 28 du fait qu'elle est solidaire en rotation de l'arbre intermédiaire 21 et engrène dans un rapport fixe avec le pignon 27. Les deux éléments rotatifs 22 et 23 sont montés en rotation selon un axe géométrique commun 29 qui est fixe et situé parallèlement et à une certaine distance de l'axe général 31 des arbres de sortie 12 et d'entrée 11, qui est également l'axe du mécanisme différentiel 13 et de l'arbre intermédiaire 21.
Un appareil de régulation 32 est monté pour établir entre les éléments rotatifs 22 et 23 un couple qui varie dans le sens d'un maintien du rotor 2 de la machine 3 à vitesse déterminée, en particulier sensiblement constante.
Dans l'exemple représenté, l'appareil de régulation 32 est une génératrice électrique, par exemple un alternateur, dont le rotor 33 est solidaire de l'élément 22 tournant à vitesse déterminée par rapport à la couronne 16. Le stator 34 de la génératrice électrique 32, au lieu d'être fixe comme un stator usuel, est ici un stator tournant solidaire en rotation du deuxième élément rotatif 23 tournant à vitesse déterminée par rapport à l'arbre de sortie 12.
Les rapports de denture entre le pignon 24 et la denture extérieure 26 de la couronne 16 d'une part, et entre le pignon 27 et la roue dentée 28 d'autre part, sont tels que i) les éléments rotatifs 22 et 23 tournent dans le même sens et ii) la vitesse rotation de l'élément rotatif 22 couplé à la couronne 16 est toujours supérieure à celle de l'élément rotatif 23 couplé à l'arbre de sortie 12.
Dans l'exemple où R2/R1 = 2, la plus petite vitesse possible pour la couronne 16 est égale à la moitié de celle de l'arbre de sortie 12. On peut donc assurer que le premier élément rotatif 22 tourne toujours plus vite que le deuxième élément rotatif 23 en surmultipliant deux fois plus la vitesse de rotation de l'élément 22 par rapport à la couronne 16 que la vitesse de rotation de l'élément 23 par rapport à l'arbre de sortie 12.
D'une manière générale, ces rapports de surmultiplication sont choisis relativement élevés, de façon que les éléments rotatifs 22 et 23 tournent à des vitesses relativement élevées par comparaison avec la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée 11 et de l'arbre de sortie 12. On peut par exemple faire en sorte que le deuxième élément 23 tourne à 14 000 tours par minute et le premier élément 22 entre 15 000 et 30 000 tours par minute. À tous les régimes de fonctionnement, le rotor 33 tourne plus vite que le stator tournant 34. Les forces électromagnétiques existantes entre le rotor 33 et le stator 34 sont dans le sens tendant à freiner le rotor 33 et donc la couronne 16, et dans le sens tendant à accélérer le stator 34 et donc l'arbre de sortie 12. Le transfert d'énergie s'effectue donc du mécanisme différentiel 13 vers la sortie 12 à travers le trajet de transmission dynamique TD. Il a également lieu de l'arbre d'entrée 11 à l'arbre de sortie 12 à travers le trajet de transmission cinématique TC car la roue planétaire 14 subit de la part du satellite 18 un couple dans le sens SR (figure 3) de la rotation de la roue 14.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, les deux trajets de transmission sont moteurs pour l'arbre de sortie 12.
Le couple transmis par le trajet de transmission dynamique TD est proportionnel au couple d'entrée présent sur l'arbre d'entrée 11. Comme la vitesse Vs de l'arbre de sortie 12 est constante, la vitesse de rotation du rotor 33 par rapport au stator 34 est uniquement fonction de la vitesse de rotation Ve de l'arbre d'entrée 11. En outre, dans le cas particulier d'une source motrice telle qu'une éolienne, le couple sur l'arbre d'entrée 11 augmente, par exemple proportionnellement, avec la vitesse de rotation Ve de l'arbre d'entrée 11. Par conséquent, la régulation selon l'invention nécessite que le couple électromagnétique existant entre le rotor 33 et le stator 34 augmente lorsque la vitesse de rotation du rotor 33 augmente par rapport au stator 34. En choisissant un appareil de régulation 32 ayant une courbe caractéristique convenablement choisie en ce qui concerne son couple en fonction de la vitesse de rotation de son rotor par rapport à son stator, on réalise un dispositif de transmission capable de stabiliser automatiquement la vitesse de rotation du rotor 2 de la machine de production d'électricité 3 sans avoir besoin d'un circuit de pilotage de régulation.
Cependant, dans l'exemple représenté, en vue d'une régulation plus fine et d'une meilleure précision de la vitesse de rotation du rotor 2 de la machine de production d'électricité 3, un dispositif de régulation est prévu. Il comprend un capteur 36 de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 12, une mémoire ou analogue 37 pour une consigne de vitesse de rotation du stator 2, un comparateur 38 pour déterminer un éventuel écart entre la vitesse réelle de l'arbre de sortie 12 et la consigne, et un circuit 39 pour convertir la sortie du comparateur 38 en un courant d'excitation appliqué au stator 34 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs contacts tournants 41 prévus sur l'élément rotatif 23. Dans l'exemple représenté, à titre de perfectionnement, on a également prévu un capteur 42 de la vitesse de rotation Ve de l'arbre d'entrée 11. Le capteur 42 envoie un signal au circuit 39 pour sélectionner des gammes de valeur de courants d'excitation en fonction de la vitesse Ve. Lorsque la vitesse de rotation Vs de l'arbre de sortie 12 tend à devenir insuffisante, l'excitation de la génératrice 32 est augmentée pour freiner davantage la couronne 16 et favoriser ainsi une légère augmentation du rapport de transmission entre l'arbre d'entrée 11 et l'arbre de sortie 12. Inversement, pour des raisons symétriques, si la vitesse Vs tend à devenir excessive, le circuit de pilotage et régulation réduit légèrement l'excitation pour laisser diminuer le rapport de transmission.
De manière non représentée, on peut interposer dans le trajet de transmission TD, par exemple entre le pignon 24 et le stator 33, un dispositif de changement de vitesse automatique à variation continue ou à nombre fini de rapports. L'automatisme de ce dispositif tend en permanence ou cycliquement à régler la vitesse de rotation du rotor 33 pour qu'elle présente une différence optimale par rapport à celle du stator 34. On améliore ainsi le rendement de la génératrice de régulation 32, et on peut réduire considérablement la puissance absorbée par la génératrice 32, notamment en réduisant l'écart de vitesse entre le rotor 33 et le stator 34 pour les valeurs élevées de la vitesse Ve de l'arbre d'entrée 11. En principe, le circuit de pilotage décrit précédemment corrige automatiquement l'excitation de la génératrice 32 en fonction du rapport de transmission établi par le dispositif de changement de vitesse. Il est également concevable de prévoir dans le circuit 39 une entrée pour un signal informant le circuit 39 du rapport établi par le dispositif de changement de vitesse. Le circuit 39 est ainsi en mesure d'anticiper les variations d'excitation à opérer au lieu de réagir à des fluctuations de la vitesse de rotation du rotor 2 de la machine 3. Par ailleurs, la présence du dispositif de changement de vitesses permet de prévoir, entre la couronne 16 le pignon 24 d'une part, entre la roue dentée 28 et le pignon 27 d'autre part, des rapports différents de ceux décrits précédemment, et qui n'ont de toute façon été donnés qu'à titre d'exemple.
En variante ou complémentairement au dispositif de changement de vitesse, il est possible de réaliser la génératrice 32 sous la forme d'une génératrice à pôles changeants. Ce type connu de génératrice réalise une rotation électrique variable des pôles statoriques par rapport à la structure mécanique du stator. On peut ainsi modifier, et particulièrement optimiser la différence de vitesse électrique entre le rotor et le stator. Pour cela, le circuit 39 peut être conçu pour appliquer une commande appropriée au stator 34 par les contacts tournants 41 ou tout autre contact tournant prévu en supplément, en tenant compte par exemple du signal fourni par le détecteur 42 représentatif de la vitesse d'entrée Ve.
L'électricité produite par la génératrice 32 est collectée grâce à des contacts tournants rotoriques 43 prévus par exemple sur le pourtour de l'élément rotatif 22. Cette énergie électrique parvient ensuite par exemple à un redresseur 44 pour charger des batteries 46 et/ou alimenter les bornes d'une ou plusieurs utilisations 47.
Dans les exemples qui vont suivre, on n'a pas représenté, et on ne décrira plus, les moyens de pilotage électronique ni les moyens de collecte de l'énergie produite par la génératrice 32. Ces moyens peuvent au moins dans leur principe être semblables à ceux décrits et représentés en référence à la figure 1.
L'exemple représenté à la figure 4 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui des figures 1 à 3.
Au lieu d'être dans un rapport de vitesse fixe avec l'arbre de sortie 12, le deuxième élément rotatif 23 est maintenant dans un rapport de transmission fixe avec le troisième organe rotatif ou cage 48 d'un deuxième différentiel 49. Les deux premiers organes rotatifs du deuxième différentiel 49 sont deux planétaires coniques 51, 52 ayant des dentures identiques et disposées en face l'une de l'autre. Ces deux planétaires sont dans un rapport de transmission fixe, l'un (51) avec l'arbre d'entrée 11, l'autre (52) avec l'arbre de sortie 12. Ces trois organes rotatifs 48, 51, 52 ont un axe de rotation commun 53 fixe relativement au bâti, et parallèle et espacé relativement à celui 29 des éléments rotatifs 22 et 23 et celui 31 des arbres d'entrée 11 et de sortie 12. Des satellites coniques 54 sont montés librement rotatifs à l'intérieur de la cage 48 suivant des axes perpendiculaires à l'axe 53. Chaque satellite conique 54 engrène avec les deux planétaires 51 et 52. Dans un tel différentiel, la cage 48 tourne autour de l'axe commun 53 à une vitesse qui est égale à la moyenne algébrique des vitesses de rotation des deux planétaires. Dans le cas présent, le montage est tel que les deux planétaires tournent dans le même sens. Ainsi, la cage 48 tourne à une vitesse qui représente une moyenne arithmétique de la vitesse des arbres d'entrée 11 et de sortie 12.
Dans cet exemple, les deux organes rotatifs 16, 48 reliés par le troisième trajet tendent, l'un (16), à réduire le rapport de transmission de son mécanisme différentiel lorsque sa vitesse augmente, et l'autre (48), à augmenter le rapport de transmission de son mécanisme différentiel lorsque sa vitesse augmente.
L'idée qui est à la base de ce mode de réalisation est la suivante : lorsque la vitesse Ve de l'arbre d'entrée 11 varie de 50 à 1500 tours par minute, la vitesse de la couronne 16 doit varier d'environ 750 à 1500 tours par minute, ce qui ressemble à la variation de la moyenne de la vitesse de l'arbre d'entrée et de celle de l'arbre de sortie. L'idée est de générer une vitesse représentative de cette moyenne et de l'appliquer directement ou indirectement à la couronne 16. Dans l'exemple représenté où l'appareil de régulation 32 est interposé entre la cage 48 et la couronne 16, et où la couronne 16 doit subir un couple en sens inverse de son sens de rotation, on applique au deuxième élément rotatif 23, c'est-à-dire au stator de la génératrice 32, une vitesse judicieusement générée à partir des vitesses d'entrée et de sortie pour que cette vitesse varie de façon similaire à la vitesse voulue pour la couronne, mais en étant toujours inférieure à celle-ci. Ainsi, il y a en permanence entre le stator et le rotor de la génératrice 32 une différence de vitesse qui varie peu et qui représente une faible proportion de la vitesse des éléments 22 et 23, de sorte que la puissance absorbée par la génératrice 32 est faible à tous les régimes de fonctionnement du dispositif de transmission. Un appareil de régulation typique tel qu'une génératrice électrique a besoin d'au moins un certain niveau de vitesse du rotor par rapport au stator pour bien fonctionner, par exemple au moins 1000 tours par minute. Pour qu'une telle différence de vitesse ne représente qu'une petite fraction de la vitesse des éléments rotatifs 22 et 23, il est avantageux de prévoir des moyens pour multiplier la vitesse des éléments rotatifs 22 et 23 par rapport à celles de l'arbre d'entrée 11 et de l'arbre de sortie 12.
Dans l'exemple représenté, le pignon 24 solidaire de l'élément rotatif 22 a par exemple un diamètre égal à 1/20ième de celui de la denture extérieure de la couronne 16. L'élément 22 tourne donc 20 fois plus vite que la couronne 16. Des engrenages multiplicateurs 56 et 57 sont également prévus entre l'arbre d'entrée 11 et le planétaire 51 d'une part, entre l'arbre de sortie 12 et le planétaire 52 d'autre part. Ainsi, la vitesse de rotation de la cage 48 a une valeur amplifiée par rapport à la moyenne arithmétique des vitesses Ve et Vs. Cette moyenne amplifiée est transmise dans un rapport 1 :1 à l'élément rotatif 23.
Il est également judicieux que la vitesse moyenne fournie par la cage 48 corresponde à une moyenne pondérée. Ainsi, la relation entre la vitesse de rotation de la cage 48 d'une part et le rapport Ve/Vs d'autre part peut-être finement ajustée.
On peut comprendre cela au moyen d'un exemple numérique qui se base sur les valeurs précédemment indiquées. La couronne 16 tourne de 750 à 1500 tours par minute. L'élément 22 tourne 20 fois plus vite, c'est-à- dire de 15 000 à 30 000 tours par minute. Si l'on souhaite que la différence de vitesse entre les éléments 22 et 23 varie de 1000 à 2000 tours par minute, l'élément 23, donc la cage 48, doit tourner de 14 000 à 28 000 tours par minute. Ceci est (approximativement) réalisé si le rapport de surmultiplication de l'engrenage 56 est 19 :1 et si le rapport de surmultiplication de l'engrenage 57 est 18 :1. Avec un tel choix, l'énergie absorbée par la génératrice 32 est de l'ordre de 6 à 7 % de celle circulant dans le trajet de transmission T3.
Dans la présentation de la figure 4 les trois axes géométriques 29, 31, 53 sont représentés coplanaires. Ceci n'est pas indispensable, les éléments situés au-dessus de la ligne 55 peuvent basculer en dehors du plan de la figure en adaptant au besoin les diamètres dans les engrenages 56 et 57 tout en conservant les rapports voulus.
L'idée qui est à la base de cette version de l'invention, et de celles qui vont être décrites ensuite, peut se conceptualiser d'une autre manière : deux mécanismes différentiels 13, 48 sont montés en parallèle entre l'arbre d'entrée 11 et l'arbre de sortie 12. Chacun de ces mécanismes différentiels possède un organe d'entrée 17, 51 relié à l'arbre d'entrée 11, un organe de sortie 14, 52 relié à l'arbre de sortie 12, et un organe de réaction 16, 48. Les deux organes de réaction 16, 48 sont reliés ensemble par un trajet de transmission T3 mais ne sont dans un rapport fixe ni avec l'arbre d'entrée 11 ni avec l'arbre de sortie 12. Il y a quelque part dans les liaisons entre les organes rotatifs des deux mécanismes une interruption cinématique qui est pontée par un couplage dynamique (génératrice 32).
De l'énergie est prélevée du dispositif de transmission à travers ce couplage dynamique. On pourrait également envisager de remplacer la génératrice par un moteur, alimenté par la machine 3, qui injecterait une énergie variable dans le dispositif de transmission. L'activation énergétique du couplage dynamique résulte d'un choix judicieux de l'ensemble des rapports de denture dans le dispositif de transmission. Ce choix fait que chaque mécanisme différentiel reçoit de la part de l'autre mécanisme différentiel une contrainte dont le niveau est réglé directement ou indirectement par le couplage dynamique.
Dans l'exemple représenté à la figure 4, les deux mécanismes différentiels ne peuvent établir le même rapport de transmission entre l'arbre d'entrée 11 et l'arbre de sortie 12 que si la vitesse de leurs organes de réaction 16, 48 sont dans une relation différente de celle qui correspondrait à une solidarisation des éléments 22 et 23. Comme les deux mécanismes différentiels sont bien obligés d'établir le même rapport de transmission entre l'arbre d'entrée 11 et l'arbre de sortie 12, il existe entre les éléments 22 et 23 une différence de vitesse qui est fonction du rapport Vs / Ve. On peut donc régler le rapport de transmission Vs / Ve en réglant la différence de vitesse entre les éléments 22 et 23. On règle cette différence de vitesse en pilotant l'activation du couplage dynamique 32.
On peut encore décrire le mode de réalisation de la figure 4 et ceux qui vont suivre d'une troisième façon. Deux mécanismes différentiels 13, 49 sont reliés par trois trajets de transmission. Un premier trajet T1, ou trajet d'entrée, relie dans des rapports de denture déterminés l'arbre d'entrée 11 avec un organe d'entrée 17 du premier mécanisme 13 et un organe d'entrée 51 du deuxième mécanisme 49. Un deuxième trajet T2, ou trajet de sortie, relie dans des rapports de denture déterminés l'arbre de sortie 12 avec un organe de sortie 14 du premier mécanisme 13 et un organe de sortie 52 du deuxième mécanisme 49. Un troisième trajet T3, ou trajet de réaction, relie dans des rapports déterminés un organe de réaction 16 du premier mécanisme 13 avec un organe de réaction 48 du deuxième mécanisme 49. Il y a quelque part dans l'un des trois trajets une interruption cinématique pontée par un couplage dynamique. En outre, il y a dans les mécanismes différentiels, et/ou dans les rapports de denture des trois trajets, et/ou dans le raccordement des éléments rotatifs 22,23 avec l'appareil de régulation une particularité grâce à laquelle l'appareil de régulation est différemment activé en fonction du rapport de transmission global Ve/Vs, et/ou de la vitesse d'entrée Ve, et/ou du couple transmis. Une courbe caractéristique de l'appareil de régulation et/ou un pilotage de l'appareil de régulation permettent de maîtriser le rapport de transmission global Ve/Vs.
Le mode de réalisation de la figure 5 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui de la figure 4.
Dans ce mode de réalisation, le couplage dynamique par l'appareil de régulation 32 est inséré non plus dans le troisième trajet de transmission T3 entre la couronne 16 et la cage 48, mais dans le deuxième trajet ou trajet de sortie T2. Plus particulièrement, l'interruption cinématique pontée par le couplage dynamique 32 est placée entre l'organe de sortie 52 du deuxième mécanisme différentiel 49 d'une part et l'engrenage multiplicateur 57 de liaison avec l'arbre de sortie 12. Le troisième trajet de transmission T3 est considérablement simplifié puisqu'il consiste en un engrènement direct entre la périphérie de la couronne 16 et la cage 48. Il n'y a plus que deux axes géométriques, l'axe général 31 et l'axe 53 qui est maintenant commun au différentiel 49 et à la génératrice 32. Il y a un pignon intermédiaire de moins dans chacun des engrenages multiplicateurs 56 et 57.
Le mode de réalisation de la figure 6 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui de la figure 5. Dans ce mode de réalisation, le mécanisme différentiel 13 est d'un type à simples satellites 58, et non plus à paires de satellites en cascade. Chaque satellite 58 engrène avec la roue planétaire 14 et avec la denture intérieure de la couronne 16. 25 Un tel mécanisme différentiel fournit un rapport de surmultiplication élevé de la roue planétaire 14 par rapport au porte-satellites 17 lorsque la couronne 16 tourne en sens inverse du porte-satellites 17 et de la roue planétaire 14. En choisissant par exemple pour la denture intérieure de la couronne 16 un 30 diamètre trois fois plus grand que celui de la roue planétaire 14, le rapport de surmultiplication atteint 3 :1 lorsque la couronne est arrêtée, et 90 :1 lorsque la couronne tourne 43,5 fois plus vite que l'arbre d'entrée 11.
De son côté, le surmultiplicateur 4 produit un rapport de surmultiplication qui 35 n'est plus que de environ 17 :1, de sorte que la vitesse de rotation de l'arbre20 d'entrée 11 varie maintenant de 17 à 500 tours par minute. Le dispositif de transmission doit fournir son rapport de surmultiplication maximale lorsque la vitesse de l'arbre d'entrée 11 est égale à 17 tours par minute. Ceci donne pour la couronne 16 une vitesse maximale de 17X43.5=740 tours par minute, donc très raisonnable.
Il s'agit donc de faire varier entre -740 et 0 tours par minute la vitesse de rotation de la couronne 16. Ceci est réalisé en faisant produire par la cage 48 une moyenne i) de la vitesse de l'un des arbres d'entrée 11 et de sortie 12 et ii) de la vitesse inversée de l'autre de ces arbres 11 et 12. Il y a ainsi dans l'engrenage 57 un pignon inverseur 59 alors que l'engrenage 56 ne comporte pas de pignon inverseur.
En outre, le rapport de surmultiplication de l'engrenage 56 est environ trois fois plus élevé que celui de l'engrenage 57.
Lorsque la vitesse d'entrée est très faible, la vitesse de la cage 48 est sensiblement représentative de la moitié de la vitesse de l'arbre de sortie 12. Au contraire, lorsque la vitesse d'entrée est maximale (500 tours par minute), sa valeur trois fois plus surmultipliée que celle de l'arbre de sortie est introduite en sens inverse dans le mécanisme différentiel 49 avec pour conséquence que la moyenne fournie par la cage 48 est égale à zéro. La vitesse de la cage 48 varie donc de la façon voulue par rapport à la vitesse de l'arbre d'entrée 11. Elle est transmise dans le sens convenable à la couronne 16 pour que celle-ci tourne en sens inverse des arbres d'entrée et de sortie 11 et 12.
Dans ce mode de réalisation, le couple à appliquer à la couronne 16 doit être dans le même sens que sa rotation. Pour cette raison, la génératrice 32 doit être motrice pour la couronne 16 et non plus mécaniquement résistante. On a donc inversé le montage de la génératrice par rapport aux exemples précédents, de façon que son stator tournant 34 soit du côté de la couronne 16, et que son rotor 33 soit du côté de la référence de vitesse, c'est-à-dire dans un rapport fixe avec l'un des arbres d'entrée et de sortie, dans cet exemple l'arbre de sortie 12.
Bien entendu, comme dans les exemples précédents, on choisit avec soin les rapports de surmultiplication dans les engrenages 56 et 57 ainsi qu'entre la couronne 16 et la cage 48 pour optimiser la loi de la vitesse relative entre le stator et le rotor dans l'appareil de régulation 32. Le mode de réalisation de la figure 7 constitue une autre modification par rapport au mode de réalisation de la figure 5 et ne sera donc, comme le mode de la figure 6, décrit que pour ses différences par rapport à celui de la figure 5.
L'interruption cinématique, avec couplage dynamique par l'appareil de régulation 32 est placée cette fois encore dans le deuxième trajet de transmission ou trajet de sortie T2, mais cette fois-ci entre la roue planétaire 14 du premier mécanisme 13 et la roue dentée 28. Autrement dit, l'arbre intermédiaire 21 est maintenant interrompu. Le rotor 33 d'une part et le stator 34 d'autre part sont accouplés à la roue planétaire 14 et respectivement à la roue dentée 28 par des engrenages multiplicateurs 61, 63 et 62, 28. Les rapports de denture sont par exemple choisis pour que celui des éléments rotatifs 22 et 23 qui est accouplé à la roue planétaire 14 tourne plus vite que l'autre.
Le mode de réalisation de la figure 8 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui de la figure 7.
Dans ce mode de réalisation, les deux mécanismes différentiels sont coaxiaux suivant l'axe général 31. Le trajet de transmission d'entrée T1 est un couplage rigide de l'arbre d'entrée 11 avec le porte-satellites 17 et avec le planétaire d'entrée 51 du mécanisme 49. Le troisième trajet de transmission T3 est une cloche 64 reliant rigidement la couronne 13 et la cage 48. La roue planétaire 14, l'arbre intermédiaire 21 et la roue dentée 63 forment un ensemble tubulaire librement rotatif autour de l'arbre d'entrée 11. La roue dentée 63 est située du côté de l'hélice 1 par rapport à la roue planétaire 14. Les deux mécanismes différentiels 13, 49 sont placés spatialement entre les roues dentées 63 et 28.35 Ce mode de réalisation est fonctionnellement voisin du précédent. Il nécessite moins d'engrenages. Par contre, le second mécanisme différentiel 49 subit sensiblement les mêmes couples que le premier mécanisme 13, et non plus des couples réduits par des surmultiplications comme cela était le cas dans les exemples précédents.
Le mode de réalisation de la figure 9 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui de la figure 8.
Une première série de différences concerne les mécanismes différentiels 13, 113 qui ont une architecture identique, conforme à celle de la figure 1, et des rapports de denture identiques. De préférence, ces deux mécanismes sont des composants identiques, de façon à simplifier la fabrication, diminuer les coûts et les stocks de pièces détachées. Le premier trajet de transmission T1 relie rigidement l'arbre d'entrée 11 avec les deux porte-satellites 17, 117. Le deuxième trajet de transmission T2 relie rigidement les deux roues planétaires 14, 114 et l'arbre de sortie 12. Le troisième trajet de transmission T3 relie les deux couronnes 16, 116 en passant par une interruption cinématique pontée par un couplage dynamique qui sera décrit plus loin.
Étant donné que les deux mécanismes différentiels sont identiques, et que leurs roues planétaires 14, 114 tournent d'un seul bloc de même que leurs porte-satellites 17, 117, les deux couronnes 16, 116 tournent à la même vitesse également, et dans le même sens. Toutefois, les éléments rotatifs 22 et 23 ont des vitesses de rotation différentes car ils sont accouplés par des engrenages multiplicateurs 66, 166 ayant des rapports légèrement différents, avec la couronne 16 et respectivement avec la couronne 116. La différence de vitesse entre les éléments 22 et 23 est proportionnelle à la vitesse des couronnes 16, 116, qui dépend elle-même du rapport de transmission Vs/Ve. L'action dynamique exercée par l'appareil de régulation 32 permet d'influer sur la différence de vitesse entre les éléments 22 et 23, et ainsi sur le rapport global de transmission.
Une autre série de différences, indépendante de la première, concerne le mode de couplage dynamique entre les éléments 22 et 23. Le rotor 133 et le stator 134 ne sont plus directement reliés chacun à l'un des éléments 22 et 23. Au contraire, on a installé entre les éléments 22 et 23 un moyen pour produire une vitesse représentative de la différence entre les vitesses des éléments 22 et 23. Un différentiel 141 d'architecture classique réalise cette fonction à condition que les arbres 22 et 23 tournent dans des directions opposées. C'est pourquoi l'engrenage multiplicateur 166 comprend un pignon inverseur 142 alors qu'un tel pignon n'est pas prévu dans l'engrenage multiplicateur 66. Chacun des éléments 22 et 23 est raccordé à l'un respectif des deux planétaires d'entrée 143 du différentiel comparateur 141. Ces deux planétaires coniques 143 disposés symétriquement face à face engrènent avec des satellites coniques 144 montés librement rotatifs selon un ou plusieurs axes perpendiculaires à celui des éléments 22 et 23 dans une cage rotative 146. En fonctionnement, la cage tourne à une vitesse égale à la demi-différence entre les valeurs absolues des vitesses des éléments 22 et 23. Sur sa périphérie, la cage 146 porte une couronne dentée 147 qui engrène avec un pignon multiplicateur 148 solidaire du rotor 133 de l'appareil de régulation 32. Le stator 134 de l'appareil 32 est fixé au bâti.
Ce mode de couplage dynamique est particulièrement avantageux car il réduit considérablement la vitesse du rotor et permet de fixer le stator de l'appareil de régulation. Le montage est donc beaucoup plus classique, on n'a plus besoin de contacts tournants pour le stator.
En outre, dans les réalisations précédentes avec stator tournant, une différence minimum de vitesse était nécessaire entre les éléments 22 et 23 pour que l'appareil de régulation fonctionne correctement. Compte tenu des vitesses de rotation maximum, de l'ordre de 30 000 tours par minute, qu'il vaut mieux éviter de dépasser pour ne pas devoir recourir à des composants spéciaux et chers, le pourcentage d'énergie mise en jeu dans l'appareil de régulation est au minimum de l'ordre de 5 % par rapport à l'énergie transmise par le couplage dynamique. Avec la structure de la figure 9, il peut y avoir une différence de vitesse bien plus faible entre les éléments 22 et 23.
Plus elle est faible et plus on peut augmenter le rapport de multiplication du pignon 148 par rapport à la cage 146 pour obtenir dans tous les cas une gamme de vitesse convenable pour le rotor 133. On va maintenant décrire le mode de réalisation de la figure 10 d'après ses différences par rapport à celui de la figure 9. Les deux couronnes 16, 116 sont maintenant reliées rigidement l'une à l'autre. Par contre, le trajet de transmission de sortie T2 reliant les deux roues planétaires 14, 114 comporte une interruption cinématique pontée par un couplage dynamique du même genre que celui décrit à la figure 9.
Si les deux mécanismes différentiels étaient identiques comme à la figure 9, la différence de vitesse entre les éléments rotatifs 22 et 23 serait constante car proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 12. Néanmoins, le couple de la génératrice 32 pourrait être réglé pour réguler le rapport de transmission. En d'autres termes, la régulation de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 12 constituerait en même temps une régulation de la vitesse de rotation du rotor de la génératrice 32.
Dans l'exemple représenté, on a fait en sorte que la différence de vitesse entre les éléments 22 et 23 n'est pas constante comme cela est évoqué au paragraphe précédent, mais varie en fonction de la vitesse de l'arbre d'entrée 11. Pour cela, on utilise deux mécanismes différentiels 13, 113 qui sont certes d'architecture identique mais qui présentent des rapports de denture légèrement différents. Malgré cela, on maintient une différence de rapport de surmultiplication entre les engrenages surmultiplicateurs 66 et 166. Ainsi, il y a une différence de vitesse entre les éléments 22 et 23 même quand le dispositif de transmission fonctionne en prise directe et que les deux roues planétaires 14 et 114 tournent par conséquent à la même vitesse.
De manière non représentée, ce mode de réalisation peut être réalisé avec deux mécanismes différentiels comme celui 13 de la figure 6, c'est-à-dire à satellite simple et couronne tournant en inverse. On peut même envisager un fonctionnement avec couronne tournant alternativement dans un sens et dans l'autre. Ceci permet de faire fonctionner un mécanisme différentiel à simple satellite comme décrit à la figure 6 entre un rapport de transmission de 30 :1 (couronne tournant en inverse à environ 13,5 fois la vitesse d'entrée) et un rapport de transmission de 1 : 1 (couronne tournant dans le même sens et à la même vitesse que l'arbre d'entrée).
Les modes de réalisation des figures 11 et 12 représentent des variantes pour le différentiel comparateur.
Dans le mode de réalisation de la figure 11, les deux planétaires 143 ont des diamètres différents et les satellites 144 ont des axes obliques. La cage 141 tourne à une vitesse proportionnelle à celle des éléments 22 et 23 lorsqu'ils ont la même vitesse. En référence à la figure 9, il n'est donc plus nécessaire de prévoir des rapports différents pour les mécanismes surmultiplicateurs 66 et 166. Il suffit que l'un soit inverseur et l'autre pas.
Dans le mode de réalisation de la figure 12, il n'est pas nécessaire que l'un des dispositifs multiplicateurs soit inverseur. L'inversion est réalisée dans le différentiel. Chaque satellite 144 comporte deux dentures coaxiales engrenant chacune avec l'un des planétaires 143. Les deux planétaires 143 sont placés d'un même côté des axes des satellites. En choisissant des rapports de denture différents pour chaque planétaire 143 avec la denture satellitaire associée, on peut également réaliser une rotation de la cage 141 proportionnelle à la vitesse des éléments 22 et 23 lorsque ceux-ci tournent à la même vitesse. Cette réalisation permet de réaliser strictement identiques les deux dispositifs multiplicateurs 66 et 166, même si les deux mécanismes différentiels sont également identiques.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Le système de couplage dynamique avec différentiel comparateur est transposable aux autres modes de réalisation, en particulier ceux des figures 4 à 8. Le différentiel comparateur peut être autre que du type à cage. On pourrait par exemple relier l'un des éléments rotatifs à la couronne d'un train épicycloïdal classique, l'autre élément rotatif à la roue planétaire du train épicycloïdal, les deux éléments rotatifs tournant en inverse en étant entraînés par des dispositifs multiplicateurs ayant des rapports de transmission faisant par exemple tourner la couronne environ deux fois moins vite que la roue planétaire pour que la vitesse du porte-satellites soit faible.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, on pourrait installer le trajet cinématique TC et le trajet dynamique TD entre l'arbre d'entrée 11 et le mécanisme différentiel 13.
Dans des modes de réalisation tels que ceux des figures 4 à 12, il serait possible de placer l'interruption cinématique pontée par un couplage dynamique dans le trajet de transmission d'entrée, entre l'arbre d'entrée 11 et l'organe rotatif d'entrée de l'un quelconque des deux mécanismes différentiels.
Dans la plupart des exemples, on a décrit pour la différence de vitesse entre les deux éléments rotatifs 22 et 23 une valeur qui est croissante lorsque la vitesse de l'arbre d'entrée augmente et que le rapport de transmission diminue. Dans l'exemple d'une éolienne où l'augmentation de la vitesse d'entrée va de pair avec une augmentation du couple transmis, ce sens de variation de la différence de vitesse entre les deux éléments rotatifs contribue à la régulation du dispositif de transmission car l'appareil de régulation 32 présente lui aussi, en général, une caractéristique d'augmentation de son couple en fonction de la vitesse. Mais il est également concevable de faire en sorte que la différence de vitesse ne varie pas ou varie en sens inverse de celui qui vient d'être discuté.

Claims (31)

Revendications
1. Dispositif de transmission pour machine de production d'électricité (3) à partir d'une source motrice rotative (1) à vitesse variable, en particulier une hélice d'éolienne, comprenant un bâti (8), un arbre d'entrée (11) relié à la source motrice, un arbre de sortie (12) relié à un rotor (2) de la machine, et au moins deux trajets de transmission (TC, TD ; T1, T2, T3) dont l'un au moins passe par au moins un mécanisme différentiel (13, 49, 113) à au moins trois organes rotatifs (14, 16, 17 ; 48, 51, 52 ; 114, 116, 117), caractérisé en ce que l'un des trajets de transmission comporte deux éléments rotatifs (22, 23) qui sont en relation de couplage dynamique et de découplage cinématique, et qui ont l'un par rapport à l'autre, du fait de la liaison de chacun d'eux avec le reste du dispositif de transmission, une vitesse relative provoquant une rotation relative dans un appareil de régulation (32) qui établit entre les éléments rotatifs (22, 23) un couple variant dans le sens d'un maintien du rotor (2) de la machine à vitesse déterminée, en particulier sensiblement constante.
2. Dispositif de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation du couple est définie par une relation caractéristique de l'appareil (32) entre son couple et une vitesse de rotation dans ledit appareil.
3. Dispositif de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation du couple est définie par un pilotage, en particulier une boucle de régulation (36, 37, 38, 39) de la vitesse du rotor (2) de la machine (3).
4. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'appareil (32) est une génératrice électrique.
5. Dispositif de transmission selon la revendication 4, caractérisé en ce que la génératrice électrique (32) est du type à nombre de pôles variable.
6. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux éléments (22, 23) sont raccordés aux deux entrées d'un engrenage différentiel comparateur (141) ayant une sortie rotative (146) indicatrice de la différence, éventuellement pondérée, des valeurs absolues des vitesses de rotation des deux éléments, et en ce qu'une partie rotative (133) de l'appareil est raccordée à la sortie rotative (146).
7. Dispositif de transmission selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'appareil (32) est monté fonctionnellement entre la sortie rotative (141) et le bâti (8).
8. Dispositif de transmission selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (147, 148) pour multiplier la vitesse de rotation de la partie rotative (133) de l'appareil (32) par rapport à celle de la sortie rotative (146) de l'engrenage différentiel comparateur (141).
9. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (116) pour faire tourner les deux éléments rotatifs (22, 23) en sens inverse l'un de l'autre.
10. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le trajet de transmission comportant les deux éléments (22, 23) comprend des moyens (24, 27 ; 56, 57 ; 61, 62 ; 66, 166) de multiplication de la vitesse de rotation de chaque élément.
11. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'un (23) des éléments est en relation d'engrènement à rapport fixe avec l'un (12) des arbres d'entrée et de sortie, et l'autre élément (22) est en relation d'engrènement à rapport fixe avec un organe rotatif (16) du mécanisme différentiel (13), lequel organe rotatif (16) est lui-même en relation d'engrènement à rapport variable avec chacun des arbres d'entrée (11) et de sortie (12).
12. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'au moins un mécanisme différentiel comprend deux mécanismes différentiels (13, 49 ; 113) comprenant chacun trois organes rotatifs, en ce que les au moins deux trajets de transmission comprennent trois trajets de transmission (T1, T2, T3) reliant chacun un organe rotatif de l'un des mécanismes à un organe rotatif respectif de l'autre mécanisme.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les deux éléments (22, 23) font partie de l'un des trois trajets.
14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que l'un des trois trajets est un trajet d'entrée (T1) comprenant un organe de transmission (17) solidaire de l'arbre d'entrée (11), et un autre des trois trajets est un trajet de sortie (T2) comprenant un organe de transmission (21, 28) solidaire de l'arbre de sortie (12).
15. Dispositif de transmission selon la revendication 14, caractérisé en ce que les deux organes rotatifs reliés par le troisième trajet (T3) tendent, l'un (16), à réduire le rapport de transmission de son mécanisme différentiel (13) lorsque sa vitesse augmente, et l'autre (48), à augmenter le rapport de transmission de son mécanisme différentiel lorsque sa vitesse augmente.
16. Dispositif de transmission selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la vitesse de rotation appliquée à l'appareil (32) par les deux éléments (22, 23) varie en fonction de la vitesse de l'arbre d'entrée (11).
17. Dispositif de transmission selon la revendication 16, caractérisé en ce que la vitesse de rotation appliquée à l'appareil (32) augmente lorsque la vitesse de l'arbre d'entrée (11) augmente.
18. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que deux organes rotatifs (51, 52) de l'un des mécanismes différentiels (49) sont reliés à l'arbre d'entrée (11) et respectivement à l'arbre de sortie (12) de manière à fournir sur son troisième organe rotatif (48) sensiblement une moyenne, éventuellement pondérée et/ou amplifiée, de la vitesse de l'un des arbres d'entrée et de sortie (11, 12), et de l'inverse de la vitesse de l'autre des arbres d'entrée et de sortie (11,12), et le troisième trajet de transmission (T3) applique au troisième organe (16) de l'autre mécanisme différentiel (13) une vitesse qui est fonction de ladite moyenne éventuellement pondérée et qui est en sens inverse des vitesses de rotation de l'arbre d'entrée (11) et de l'arbre de sortie (12).
19. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que deux organes rotatifs (51, 52) de l'un des mécanismes différentiels (49) sont reliés à l'arbre d'entrée (11) et respectivement à l'arbre de sortie (12) de manière à fournir sur son troisième organe rotatif (48) sensiblement une moyenne, éventuellement pondérée et/ou amplifiée, de la vitesse de l'arbre d'entrée (11) et de la vitesse de l'arbre de sortie (12), et le troisième trajet de transmission (T3) applique au troisième organe (16) de l'autre mécanisme différentiel (13) une vitesse qui est fonction de ladite moyenne éventuellement pondérée.
20. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que les deux mécanismes différentiels (13, 113) sont identiques et en ce qu'au moins un des trois trajets de transmission définit entre les deux organes rotatifs qu'il relie un rapport de transmission différent de celui défini par un autre des trois trajets entre les deux organes rotatifs reliés par cet autre trajet.
21. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que les mécanismes différentiels (13, 113) sont identiques et deux des trois trajets de transmission définissent des rapports de transmission identiques.
22. Dispositif de transmission selon la revendication 21, caractérisé en ce que les trois trajets de transmission définissent des rapports identiques et les deux éléments (22,
23) sont différemment reliés à l'appareil (32). 30 23. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que les deux mécanismes différentiels sont d'architecture identique et présentent une différence de rapport de denture.
24. Dispositif de transmission selon la revendication 23, caractérisé en ce que les trois trajets de transmission définissent des rapports de transmission 35 identiques.25
25. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 16 à 24, caractérisé en ce que les deux mécanismes (13, 113) sont coaxiaux et l'un au moins des trajets de transmission, de préférence deux des trois trajets de transmission sont des liaisons assurant une rotation commune de deux organes rotatifs appartenant chacun à l'un des mécanismes.
26. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 25, caractérisé en ce que le mécanisme différentiel est réalisé sous la forme d'un train épicycloïdal, comprenant une roue planétaire (14) reliée à l'arbre de sortie (12), une couronne dentée (16) constituant un organe rotatif de réaction, et un porte-satellites (17) relié à l'arbre d'entrée (11) et supportant au moins un équipage de deux satellites (18, 19) montés en cascade, dont l'un (18) engrène avec la roue planétaire (14) et l'autre avec la couronne dentée (16).
27. Unité de production d'électricité comprenant un dispositif de transmission (6) selon l'une des revendications 1 à 26, et une machine de production d'électricité (3) du type synchrone.
28. Unité de production d'électricité selon la revendication 27, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur (36) de la vitesse de rotation du rotor (2) de la machine de production d'électricité (3), et une boucle de régulation de cette vitesse de rotation, qui commande l'appareil (32) en fonction de l'écart entre la vitesse de rotation du rotor et une consigne.
29. Éolienne comprenant un dispositif de transmission (6) selon l'une des revendications 1 à 26, et/ou une unité de production d'électricité selon la revendication 27 ou 28.
30. Procédé pour régler un rapport de transmission entre une source motrice (1) et une charge (3), caractérisé en ce qu'on place entre la source motrice et la charge deux mécanismes différentiels (13, 48 ; 113) ayant chacun au moins trois organes rotatifs, chaque organe rotatif de l'un des mécanismes étant relié à un organe rotatif respectif de l'autre mécanisme par un trajet de transmission (T1, T2, T3) respectif, l'un des trajets comprenant deux éléments rotatifs (22, 23) découplés cinématiquement mais reliés par l'action d'un appareil de couplage dynamique, et on règle l'appareil de couplage.
31. Procédé selon la revendication 30, caractérisé en ce que l'appareil de couplage dynamique (32) possède un arbre qui est en relation d'entraînement avec une sortie (146) d'un engrenage différentiel comparateur (141) possédant deux entrées constituées chacune par l'un des éléments (22, 23).
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