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" Perfectionnements aux machines électriques tournantes" .
La présente invention concerne des perfectionnements ap- portés aux machines électriques tournantes incorporant un bobinage, induit ou inducteur, formé en conducteurs plats et minces adhérant intimement sur les faces opposées d'un support isolant mince, cy- lindrique ou discoïdal par application de toute technique appro- priée dite " d'impression des circuits" . On désigne par " techni- que d'impression des circuits'1 toute technique permettant de reproduire de façon répétée un tracé conducteur sur une surface isolante.
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Elle a pour but de prévoir une disposition de ces machi- nes qui, tout en réduisant l'inertie mécanique de leur partie tournante, facilite grandement leur montage et permet d'utiliser des faibles épaisseurs d'éléments conducteurs en ces parties tour- nantes logées dans leurs entrefers, que ces éléments soient constitués par les bobinages rappelés ci-dessus ou consistent en de simples cylindres ou disques conducteurs, selon le cas* En ces machines en effet, tout élément conducteur doit être loge dans l'entrefer et doit donc être de la plus faible épaisseur possible, compatible avec la puissance requise, afin de ne pas diminuer leur rendement électromagnétique.
Ce maintien d'une épaisseur minimum entraîne une faiblesse mécanique de ces éléments qui peut entraîner des déformations préjudiciables s'il n'est pas pris de précautions spéciales pour leur montage, précautions qui ne peu- vent résulter qu'en des complications mécaniques peu désirables pour la fabrication et l'exploitation des machines*
C'est ainsi que, dans les machines cylindriques, la partie tournante peut consister soit en un bobinage imprimé du type rappelé (cas des machines à courant continu), soit en un cy- lindre de cuivre (cas des machines à induction* l'inducteur comprenant un bobinage du type rappelé, monté coaxialement à ce cylindre).
En l'un ou l'autre cas, l'élément tournant est normale- ment monté en "cloche" , c'est-à-dire en fait en porte-à-faux ainsi d'ailleurs que l'élément magnétique coaxial intérieur audit élément tournant cylindrique* Il est bien évident que la faiblesse mécanique de cet élément tournant est un objet d'acci- dents possibles en exploitation, même si, le montage a été réalisé avec de grandes précautions donc complications mécaniques.
C'est ainsi également que, dans les machines discoïdales, la partie tournante peut consister soit en un bobinage du type rappelé, soit en un mince disque de cuivre, pour les machine. , courant continu et à induction respectivement. Le montage mécani-
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que paraît plus simple mais la résistance au flambage étant insu!- fisante, ces éléments peuvent se déformer prohibitivement lors de démarrages à couples élevés.
La solution consistant à lier de tels éléments à des pièces mécaniquement résistantes, magnétiques bien entendu, pré- sente l'inconvénient d'accroître l'inertie de la partie tournante ce qui, au démarrage surtout, n'est évidemment pas souhaitable,
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et provoque aussi des "collages" magnétiques.
Selon la présente invention, la partie mobile d'une machine du genre concerné est formée en un cylindre creux soli- darisé de l'arbre de rotation par ses faces latérales, une pièce cylindrique magnétique étant montée folle sur cet axe à l'inté- une rieur de ce cylindre, dont/partie au moins forme l'induit con- ducteur de la machine. Cette partie est la face latérale pour une machine à éléments concentriques; elle consiste dans les deux faces d'extrémité pour une machine à éléments discoïdaux.
Divers modes d'exécution de l'invention sont schématisés sur les figures jointes, en lesquelles :
La figure 1 montre une coupe d'un premier mode d'exécu- tion pour machine à éléments concentriques, la figure 2 étant une vue en perspective cavalière du rotor porte-bobinage de cette machine, qui constitue un moteur à courant continu*
La figure 3 est une coupe d'un autre mode d'exécution pour une machine d'induction à éléments concentriques, la figu- re 4 montrant une vue en perspective cavalière du rotor constitué par un cylindre mince de cuivre, et, la figure 5 est une coupe d'un autre mode encore d'exé- cution, concernant une machine à éléments discoldaux, constituant un moteur à courant continu à double bobinage d'induit, la figure 6 montrant une vue de face de l'un des bobinages.
Dans le mode d'exécution des figures 1 et 2, le rotor est constitué par un bobinage cylindrique 8 imprimé double-face" 1 monté sur deux anneaux d'extrémité 2 et 3 fixés sur l'arbre 4.
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Ce rotor constitue donc un cylindre fermé dont la paroi latérale est très mince et serait, si elle n'était tendue entre et suppor- tée par les pièces 2 et 3, aisément déformable. Le bobinage, à conducteurs contigus couvrant la quasi-totalité de la surface cylindrique, est formé selon un diagramme ondulé-série (il pour- rait être du type imbriqué si désiré):- chaque conducteur de demi-spire comporte une partie médiane 16 sensiblement orientée selon une génératrice de cylindre, prolongée de part et d'autre par des portions en développantes 17 et 20 se terminant par des "plots" 18 et 21, respectivement, aux périphéries des extrémités du cylindre. Les deux faces d'un isolant cylindrique mince sont ainsi revêtues de conducteurs, dont les développantes sont d' orientations opposées d'une face à l'autre.
Les plots sont inter- connectés de face à face (ou de couche à couche) par exemple par métallisations de trous 19 et 22 perforant les plots et l'isolant intercalaire. Ces interconnexions pourraient, aussi bien, être exécutées par brasure ou soudure des plots alors en surplomb vis-à-vis de l'isolant. La technologie d'exécution de tels bobi- nages imprimés est maintenant trop connue pour qu'il soit utile d'y insister ici.
Avant l'assemblage du rotor, a été monté sur des paliers 6 et 7, sur l'arbre 4, un élément magnétique cylindrique 5 qui peut donc tourner fou sur cet arbre. Au lieu de paliers, de sim- ples coussinets pourraient suffire. Cet élément sort de fermeture du flux magnétique à travers le rotor. Le champ inducteur est fourni par des aimants tels que 8 et 9 formant un ensemble cylin- drique autour du rotor 1 et supportés par des entretoises telles que 10, par exemple, prenant appui sur des plaques de montage 12 et 11. En ces plaques sont établis des paliers 13 et 14 pour l'arbre 4. Des balais tels que 5 portent sur le bobinage en des- sous d'une des plaques rigides, 3 par exemple. Pour un bobinage ondulé-série, il suffit de deux balais décalés d'un pas polaire.
La machine est un moteur à courant continu quand les balais sont
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alimentés. Elle fonctionne en génératrice si l'arbre 4 est en- traîné extérieurement en rotation..
Dans le second mode d'exécution, figures 3 et 4, la ma- chine comprend un rotor formé d'un mince cylindre de cuivre 31 que supportent deux disques 2 et 3 fixés à l'arbre 4. A l'inté- rieur du rotor est monté, fou sur l'arbre par les paliers ou coussinets 6 et 7, l'élément magnétique cylindrique 5. Pour un moteur d'induction, cette pièce sera de préférence feuilletée orthogonalement à l'axe. A l'extérieur, autour du rotor se trouve la partie inductrice comprenant le bobinage cylindrique 40, qui peut être du type même de la figure 2, mais pourvu de prises d' alimentation en courant alternatif. Ce bobinage est appliqué à l'intérieur d'un manchon magnétique 41, feuilleté également de préférence et, par exemple, en deux demi-manchons pour son monta- ge.
Le nombre de prises telles que 39 dépend du nombre de phases de l'alimentation et ces prises sont espacées sur un pas polaire dudit bobinage ou sur un double pas polaire selon les connexions requises pour cette alimentation. Le stator est porté par des entretoises telles que 10 entre des flasques 11 et 12 dans les paliers 13 et 14 desquels tourillonne l'arbre 4. L'épaisseur du cylindre rotorique 31 peut donc être mince jusqu'à une insuffisan- ce de rigidité s'il n'était supporté par et, en fait, tendu entre les disques 2 et 3.
En variante des dispositions ci-dessus, la pièce 5 peut incorporer des pôles magnétiques d'aimantation permanente, en même nombre que les aimants ou les demi-phases de l'inducteur, selon le cas. En courant alternatif, le moteur sera asynchrone synchro- nisé, la pièce 3 tournant au synchronisme, indépendamment de 1' arbre 4.
Le fonctionnement des machines cylindriques ci-dessus peut s'exposer comme suit :- au repos, le cylindre rotorique peut occuper une position quelconque et la pièce 5 peut aussi occu-
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per toute position sauf si elle incorpore des pôles magnétique et que l'inducteur en incorpore aussi) cas de la machine à cou- rant continu, où la pièce 5 s'oriente selon les polarités des aimants pour concourir à créer un flux maximum dans l'entrefer.
Lorsqu'un couple moteur apparaît sur l'induit, seul le cylindre 1, ou 31, est entraîné, son inertie seule entrant en jeu pour ce démarrage. Cette inertie est réduite à celle dudit cylindre et de ses disques supports (qui peuvent être allégés par des fentes ou par un montage à rayons entre cylindres intérieur et extérieur, si désiré).
La pièce 5 n'est sollicitée à la rotation que par le couple de frottement sec de ses paliers 6 et 7 mais, bien en- tendu; lorsque cette pièce incorpore des pôles permanents, s'y ajoute la sollicitation électromagnétique due au champ tournant de l'inducteur statorique mais il y aura glissement jusqu'à la vitesse de régime et pour toute variation de vitesse de régime par la suite; donc même en ce cas, l'inertie véritable au couple moteur se ramène à celle de la partie tournante liée à l'arbre 4.
En outre, la machine peut être réalisée avec un encom- brement diamétral réduit car on peut allonger axialement le rotor mince sans risque puisqu'il n'y a aucun porte-à-faux en son mon- tage. En définitive donc, de tels modes d'exécution permettent la réalisation de machines tournantes à performances électrodyna- miques élevées vis-à-vis de celles, du même genre, des construc- tions antérieures.
Tant dans le stator que dans le rotor, selon le cas, les pôles magnétiques peuvent être saillants ou " lisses" en d'au- tres termes, ils peuvent être réalisés soit au moyen d'aimants montés dans une culasse magnétique, soit au moyen de magnétisa- tion rémanente dans des cylindres en un matériau magnétique hau- tement coercitif du genre des ferrites.
Dans un troisième mode d'exécution, illustré sur les figures 5 et 6, la machine est à entrefer annulaire plan, son
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éléments étant de forme générale diacoldale* L'adaptation de 1' invention nécessite le recours à un double bobinage ce qui toute- foi'accrott pas sensiblement l'inertie de la partie tournante mais assure une augmentation du rendement électromagnétique car le rapport du couple à l'inertie n'est pas changé.
L'exemple illustré est celui d'une machine à courant continu ; la transposition à une machine d'induction avec bobinage inducteur statorique (en deux bobinages de part et d'autre du rotor) est évidente d'après ce qui a été dit et montré pour les machines à éléments concentriques :- substitution d'un disque mince de cuivre à chaque bobinage plat, substitution de bobinages sur couronnes magnétiques aux couronnes d'aimants permanents ou de ferrite portant les pôles d'aimantation permanente.
Dans les figures $ et 6, deux bobinages discoïdaux sont indiqués en 60 et 61 avec par exemple la configuration illustra- tive de la figure 6. Cette configuration montre un ondulé-série huit pôles à 41 spires, donc à 41 conducteurs par face. Chaque conducteur de demi-spire comporte une partie médiane 72, d'orien- tation sensiblement radiale, prolongée à ses deux extrémités par des parties inclinées (elles pourraient être incurvées), 73 et 76, terminée par les " plots" 74 et 77 en lesquels sont réali- sées les connexions interfaces par des trous métallisés 75 et 78, respectivement, par exemple.
Le bobinage comporte deux couches de tels conducteurs adhérant intimement aux faces oppo- sées d'un anneau isolant mince 71, les plots d'extrémité des con- ducteurs se trouvant en regard d'une face à l'autre et les confi- gurations des faces étant identiques avec, bien entendu, des orientations relatives inverses pour leurs parties inclinées de conducteurs. Deux éléments de bobinage identiques sont assemblée parles entretoises telles que 62 (ou d'un anneau de raidissement en place de ces entretoises, si désiré) pour former un cylindre fermé, de faible extension radiale, en lequel se trouve inclus
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un anneau magnétique 55 monté sur un support annulaire intérieur 70 qui est supporté par un coussinet annulaire 56 sur l'arbre 4.
Cet anneau libre est introduit entre les disques 60 et 61 avant que ces disques ne soient réunis en 62, ainsi que les manchons 64 et 65 qui enserrent le coussinet 56 et forment appui pour les régions périphériques intérieures des disques 60 et 61. Les dis- ques sont serrés contre les rebords de ces manchons par des ron- delles 66 et 67 et des écrous 68 et 69. Une fois l'arbre 4 enfilé dans ces manchons, des clavettes 84 et 85 sont mises en place d'où le sous-ensemble tournant complet de la machine*
Deux couronnes de pôles inducteurs permanents sont montés de part et d'autre du cylindre tournant; il peut s'agir, comme montré, d'aimante séparés tels que 58 et 59 en chacune des couronnes ou d'anneaux de ferrite avec pôles rémanents sur leurs pourtours.
Bien entendu, à un pale Nord d'un côté correspond un pôle Sud de l'autre et viceversa. L'anneau magnétique libre 5 peut être en fer doux ou, si désiré, consister aussi en une couronne en ferrite avec pôles magnétiques rémanents.
Les inducteurs sont portés par des flasques 51 et 52 équipés de paliers 53 et 54 pour l'arbre 4. Ces flasques portent aussi des balais, partiellement montrés en 63 (une paire de ba- lais au moins par disque porte-bobinage); ces balais portent en des emplacements des bobinages étayés sur leurs autres faces par les rebords des manchons 64 et 65. Un manchon 50 espace les flasques; on pourrait y substituer de simples entretoises. On a indiqué sur le schéma, en 79 et 80 dans les flasques, en 81 et 82 dans le manchon 50, des perçages assurant une auto-ventilation de la machine tournante.
Les circuits électriques des bobinages sont de préfé- rance laissés indépendants au niveau de ces bobinages pour évi- ter toute complication d'interconnexions; les balais sont mis en
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parallèle ou en série dans les circuits extérieure. Il en serait de même pour les bobinages inducteurs de marines de ce genre à entrefer annulaire plat, leurs prises d'alimentation seraient en parallèle ou en série sur les circuits extérieurs (ces bobi- nages étant disposés de part et d'autre du cylindre rotorique à faces latérales constituées par des feuilles de cuivre ou autre conducteur).
Au démarrage, l'anneau magnétique libre ne participe pas à l'inertie de la partie tournante et le montage de l'induit évite tout danger de détérioration par effort de flambage. Comme dans le cas d'une machine cylindrique, une machine à entrefer annulaire plan à double induit permet donc d'accroître les per- formances électrodynamiques.
Revendications
1. Machine électrique tournante comprenant au moins un enroulement formé en conducteurs plats et minces sur un iso- lant également mince, cet enroulement comme tout autre mince élément conducteur dans la machine étant immergé dans un entre- fer magnétique étroit, caractérisée en ce que la partie tournante de la machine est réalisée en forme de cylindre incorporant cet élément conducteur mince, ayant ses faces extrêmes connectées à l'arbre de la machine et ayant sa partie non conductrice rigi- de et exerçant une traction sensiblement uniforme sur cet élément conducteur mince, et en ce qu'à l'intérieur de ce cylindre est monté fou sur l'arbre un cylindre magnétique refermant le flux inducteur passant au travers de l'élément conducteur mince du cylindre rotorique.