Machine électrique à réluctance variable Une machine électrique du type à réluctance variable comporte deux parties magnétiques coopé rantes, qui sont mobiles l'une par rapport à l'autre ; on appellera l'une stator et l'autre partie mo bile , restant toutefois entendu que la partie dite stator n'est pas obligatoirement immobile. Le stator comporte au moins une paire de pôles magné tiques, tandis que la partie mobile comporte des parties magnétiques actives qui sont le plus souvent des protubérances et qui, au cours du mouvement relatif du stator et de la partie mobile,
passent à une très grande proximité des pôles du stator, et occu- pent un entrefer correspondant. Dans ce qui suit, on appellera conventionnellement dents lesdites par ties magnétiques actives de la partie mobile. Ce .sont les déplacements de ces dents qui produisent les variations de réluctance.
Le mouvement relatif de la partie mobile et du stator peut d'ailleurs être dif férent selon le type de machine électrique réalisé. Ce peut être un mouvement rotatif, dans le cas de certains générateurs ou moteurs à courant alternatif. Et ce peut être un mouvement de va-et-vient, le plus souvent rectiligne, par exemple pour la réalisation de moteurs d'entraînement de pompes. Les exemples qui sont décrits plus bas se rapportent au cas dans lequel le mouvement relatif du stator et de la partie mobile est un mouvement de rotation, auquel cas la partie mobile constitue un rotor.
Dans les machines tournantes à réluctance varia ble connues, les diverses parties du circuit magnéti que étant réalisées en un matériau de caractéristiques magnétiques uniformes, il n'est pas possible de satu rer une partie déterminée du circuit sans saturer les parties voisines et le nombre d'ampère-tours doit être limité à une valeur assez faible pour éviter la satu ration du fer et obtenir un rendement satisfaisant.
En général, on s'impose que la perméabilité du fer reste supérieure à 100 dans la plus grande partie de la machine, en admettant seulement que, dans certai nes parties de celle-ci (le plus souvent les pôles et les dents), la perméabilité tombe à une valeur com prise entre 25 et 10, ce qui est nécessaire pour que de telles machines aient des caractéristiques satisfai- santes de couple, de rendement et de puissance massique.
La machine électrique à réluctance variable selon l'invention est caractérisée en ce que les dents de la partie mobile sont constituées par -de minces feuilles d'un matériau magnétique, espacées les unes des autres et séparées les unes l'es autres par un maté riau non magnétique,
de manière que ledit matériau magnétique constituant les dents soit saturé magnéti- quement pour une valeur de l'induction nettement inférieure à la valeur de l'induction nécessaire pour saturer lesdits pôles et le reste de ladite partie mobile.
Le dessin, annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de la machine faisant l'objet de l'invention la fig. 1 est une coupe transversale schématique, selon I-I de la fig. 2, d'une machine bipolaire selon une première forme d'exécution ; la fig. 2 est une coupe longitudinale schématique, selon II-II de la fig. 1, de la même machine ;
la fig. 3 est une vue schématique d'un alternateur tétrapolaire, selon une deuxième forme d'exécution, et représenté de façon analogue à la fig. 1.
Pour la clarté du dessin, certaines dimensions relatives ont été représentées à une échelle différente de celle d'autres dimensions, par exemple en ce qui concerne l'entrefer résiduel dont il est parlé ci-après.
Dans une machine électrique à réluctance varia ble, les entrefers e, dits résiduels, existant entre les pôles du stator et les dents de la partie mobile lors qu'elles se trouvent en regard desdits pôles, sont établis de façon que leur longueur soit négligeable par rapport à la hauteur h des dents.
Lorsque dans une telle machine, dans laquelle par ailleurs, les dents sont saturées, un champ magnétique H, de valeur élevée (par exemple de l'ordre de 10 000 oersteds) règne entre les pôles du stator et la partie cylindrique du rotor, et qu'une dent se trouve engagée sous l'un des pôles, la force électromagnétique F qui est appli quée au rotor est proportionnelle d'une part à la sec tion transversale de la dent (dans un plan perpen- diculaire au mouvement de celle-ci)
et d'autre part au produit dudit champ magnétique H par l'induction moyenne B de saturation de cette dent (ou bien, ce qui revient au même, en raison de la saturation des dents : par l'intensité moyenne d'ai mantation dans les dents).
Les valeurs de l'induction de saturation et de l'intensité d'aimantation dans les dents sont dites moyennes parce que, comme on le verra par la suite, les dents sont de structure hétérogène et en particu lier peuvent être constituées par des tôles minces de fer pur espacées et séparées les unes des autres par de l'air. Dans ce .cas, l'induction moyenne B de satu ration d'une dent est égale, à un coefficient numéri que près, au produit de l'intensité d'aimantation du fer pur à saturation par la proportion de fer dans le volume de la dent.
Lorsque l'induction est exprimée en gauss et le champ en oersted, ce produit :est mul tiplié par le coefficient 4ar.
Si, d'autre part, ledit champ magnétique H ré gnant dans l'entrefer principal d'une telle machine est au moins quadruple (et plus encore s'il est au moins décuple) du champ pour lequel les dents peu vent être considérées comme pratiquement saturées, ce qui est aisé à réaliser par exemple par le recours à un matériau magnétique particulier pour constituer les dents, ainsi qu'il est précisé dans le présent mé moire,
l'intensité moyenne d'aimantation des dents est sensiblement égale à leur induction moyenne B de saturation et en conséquence la somme du champ magnétique H et de l'induction moyenne de satura tion B des dents est sensiblement égale à l'induction maximale C choisie pour les pôles du stator et pour la partie cylindrique du rotor (partie de celui-ci, située entre les dents).
Par conséquent, dans la machine considérée, il se trouve d'une part que la somme H -f- B a sensible ment une valeur donnée ; et d'autre part, que la force F qui sera appliquée à chaque dent de cette machine sera proportionnelle au produit H X B.
Or, il est très souhaitable que ladite force F soit aussi grande que possible, pour une machine donnée dont les diverses autres caractéristiques ou dimen sions sont par ailleurs fixées. En effet, la puissance mécanique de cette machine sera d'autant plus grande que cette force F sera plus grande. Et, si la machine ainsi réalisée est une machine tournante, le couple maximum du rotor de cette machine sera d'autant plus grand que ladite force F sera plus grande.
Il est d'ailleurs bien connu dans la théorie des nombres que, lorsque deux nombres tels que ceux représentant les valeurs de H et B ont une somme constante C, le produit de ces deux nombres est maximum lorsqu'ils sont égaux entre eux, c'est-à-dire en l'occurrence lorsque H = B = 0,5 C.
Lorsque les valeurs des deux :nombres H et B s'écartent progres sivement (respectivement dans un sens et dans l'au tre, pour que leur somme reste constante) de la valeur optimum 0,5 C, la valeur du produit de ces deux nombres (produit qui est égal à F, à un facteur constant près K 5>) ne diminue que très légèrement au début ; mais cette diminution va ensuite en s'ac célérant, comme le rappelle le tableau ci-après
EMI0002.0051
Valeurs <SEP> de:
<SEP> Pourcentage <SEP> de
<tb> diminution <SEP> de <SEP> F
<tb> H <SEP> B <SEP> kF=HXB
<tb> 0,5 <SEP> C <SEP> 0,5 <SEP> C <SEP> 0,25 <SEP> C <SEP> 0 <SEP> %
<tb> 0,4 <SEP> C <SEP> 0,6 <SEP> C <SEP> 0,24 <SEP> C <SEP> 4
<tb> 0,3 <SEP> C <SEP> 0,7 <SEP> C <SEP> 0,21 <SEP> C <SEP> <B>16%</B>
<tb> 0,25 <SEP> C <SEP> 0,75 <SEP> C <SEP> 0,19 <SEP> C <SEP> 24%
<tb> 0,20 <SEP> C <SEP> 0,80 <SEP> C <SEP> 0,16 <SEP> C <SEP> <B>36%</B>
<tb> 0,15 <SEP> C <SEP> 0,85 <SEP> C <SEP> 0,13 <SEP> C <SEP> 48%
<tb> 0,10 <SEP> C <SEP> 0,90 <SEP> C <SEP> 0,09 <SEP> C <SEP> 64%
<tb> 0,05 <SEP> C <SEP> 0,95 <SEP> C <SEP> 0,05 <SEP> C <SEP> <B>80%</B> Etant donné que des soucis de facilité ou d'éco nomie de construction, ou d'autres raisons,
peuvent inciter le constructeur d'une telle machine à disposer de certaines options dans les valeurs relatives de H et B, quitte à admettre que la force F (ou bien le couple du rotor, s'il s'agit d'une machine tournante) n'ait pas la valeur maximum que rend la théorie ainsi rappelée, les titulaires appliquent ces considéra tions concernant les valeurs relatives de H et de B, en admettant que l'une de ces deux grandeurs peut être diminuée jusqu'à 0,15 C, tandis que l'autre est alors augmentée en correspondance jusqu'à 0,85 C en effet, la force F ne tombe alors même pas jusqu'à la moitié de la valeur maximale qu'elle a lorsque H = B = 0,5 C.
Toutefois, dans la majorité des cas, il est avantageux de choisir les valeurs respectives de H et B entre 30 % et 70 % de C, la force F étant alors au moins égale à 84 % de sa valeur maximale possible.
La puissance massique optimum d'une telle ma chine (c'est-à-dire le rapport le plus favorable entre la puissance et son poids) est cependant obtenue dans certains cas, pour des valeurs respectives de H et de B qui sont légèrement différentes de la valeur 0,5 C ; notamment, ainsi qu'il est connu, lorsque le champ magnétique H varie (par exemple du fait que le courant inducteur est sinusoïdal) pendant le dépla cement de la dent sous le pôle en regard.
Pour que le champ magnétique nécessaire à la saturation des dents soit faible par rapport au champ magnétique H qui règne dans l'entrefer principal, il est avantageux de constituer les dents en un matériau magnétique dont la caractéristique exprimant l'inten sité d'aimantation en fonction du champ magnétique est une courbe ayant un .aspect sensiblement rectan gulaire, comme par exemple la courbe relative à un fer de grande pureté.
On sait qu'un fer ayant une pureté au moins égale à 9998/10 000, un ,tel fer étant d'ailleurs dit fer pur , permet d'atteindre 95 % de l'intensité maximale d'aimantation, sous l'effet d'un champ magnétique inférieur à 200 oers- teds, ce qui est, ainsi qu'il convient, une valeur très inférieure à celle des<B>11000</B> à 12 000 oersteds qu7at- teint usuellement le champ magnétique maximal H dans l'entrefer principal.
La machine tournante représentée sur les fig. 1 et 2 est un moteur synchrone, alimenté par consé quent en courant alternatif. Elle est composée, d'une part, d'un stator inducteur 1 comportant deux pôles symétriques<I>2a</I> et<I>2b,</I> pourvus chacun d'un bobinage 3 inducteur, et, d'autre part, d'un rotor 4 monté sur un arbre et comportant deux dents symétriques 6a et 6b, de hauteur h, ces dents ne laissant qu'un très faible entrefer résiduel e (dont la valeur est, par exemple, plus petite que 1 % de h)
entre elles et les pôles<I>2a</I> et<I>2b</I> du stator.
Ledit stator 1 est constitué d'un empilage de feuilles 7 (fig. 2) d'acier au silicium, pour lesquelles l'induction maximale C (à proximité de la surface des pôles) a été fixée à 23 000 Gauss, ce qui corres pond à une perméabilité de 15, chiffre de perméabi lité que l'on se fixe à ce sujet.
Conformément à la valeur optimale déjà indiquée plus haut, l'induction moyenne B de saturation des dents 6a-6b est fixée à une valeur de l'ordre de 0,5 C, soit<B>11500</B> Gauss. Et, afin que quelque 95 % de cette induction soient déjà obtenus pour une valeur du champ qui est très inférieure à celle du champ H indiquée ci-après, la partie magnétique ou partie active de ces dents (et éventuellement le reste du rotor) est constituée à l'aide de feuilles 8 de fer dit pur, ce fer ayant en lui-même une induction de satu ration de 21<B>500</B> Gauss.
Pour que l'induction B de saturation des dents ne soit que de<B>11500</B> Gauss, il faut donc que le volume de ces feuilles 8 de fer pur soit seulement le 11<B>500/21500</B> du volume global de la dent, soit quelque 53 % de ce volume. A cet effet, entre chaque feuille respective de fer pur, au niveau des dents, est inséré un matériau non magné tique qui est avantageusement de l'air, comme repré senté en 9. Vers le centre du rotor, les feuilles 8 de fer pur sont séparées par des disques intercalaires 10 de matériau magnétique, comme par exemple de l'acier au silicium.
De la sorte, si les feuilles de fer pur ont une épaisseur de par exemple 0,5 mm, elles sont séparées les unes des autres par des disques intercalaires 10 ayant une épaisseur de
EMI0003.0038
= 0,44 mm<B>;</B> et les espaces d'air 9 ont la même épaisseur de
EMI0003.0039
On sait, d'une part, qu'en chaque point d'un circuit magnétique, l'induction est égale à la somme de l'intensité d'aimantation et du champ, et, d'autre part, que l'intensité d'aimantation de saturation peut être confondue avec l'induction de saturation.
En conséquence, lorsqu'on fait passer dans les bobinages. 3 le courant voulu pour que le champ magnétique sous les pôles<I>2a</I> et<I>2b</I> soit de<B>11<I>500</I></B> oersteds, l'induction moyenne dans les dents atteint approximativement la somme de l'induction dans l'air dans l'espace compris entre les pôles et la partie cylindrique du rotor (soit 11500 Gauss) et de l'induction moyenne de saturation dans les dents (soit aussi<B>11500</B> Gauss), ce qui fait 23 000 Gauss.
La perméabilité moyenne des dents est alors
EMI0003.0055
L'induction maximum dans les pôles, à proximité des dents, induction qui, par principe, est la même que celle moyenne dans les dents, et qui a elle même été fixée à 23 000i Gauss, ne dépasse donc pas la valeur fixée, qui correspond à une perméabilité minimum de 15, .alors cependant que la machine bipolaire ainsi établie fournit son couple maximum possible.
Cette machine a en conséquence une puissance massique plus élevée que celle de machines bipolaires analogues à réluctance variable qui étaient connues jusqu'à présent. Et son rendement reste cependant très. satisfaisant puisque, à l'exception des dents, les différentes parties du circuit magnétique conservent une perméabilité magnétique supérieure à 15.
Cependant, il est avantageux de réaliser la ma chine en faisant comporter à son istator au moins deux paires de pôles, identiques entre elles. L'ouver ture angulaire de chaque pôle étant a, tandis que l'espace entre deux pôles successifs présente une ouverture angulaire b, la partie mobile ou rotor de ladite machine comporte des dents dont l'ouverture angulaire est établie sensiblement égale<I>à a</I> -i-- <I>b</I> (fig. 3).
La fig. 3 illustre une forme d'exécution qui est un alternateur comportant quatre pôles magnétisés chacun à l'aide d'au moins un enroulement dont une extrémité est alimentée en courant continu d'excita tion, tandis que l'autre extrémité est connectée à une ligne parcourue par le courant alternatif engendré, cet alternateur présentant en outre la particularité que les extrémités de deux enroulements contigus,
extrémités qui se trouvent en regard mutuel dans un intervalle entre les deux pôles contigus corres- pondants, sont connectées entre elles, et cela alter nativement, dans les intervalles polaires successifs, sur la ligne d'excitation en courant continu, puis sur la ligne parcourue par le courant alternatif, les qua tre extrémités susdites des paires d'enroulements contigus étant montés en pont électrique,
de telle manière que l'excitation à partir d'une source de tensio:n continue est fournie dans une diagonale de ce pont, alors que le courant alternatif engendré est transporté dans l'autre diagonale dudit pont.
On voit sur la fig. 3 le stator 11 de cet alterna teur. Il est composé d'un empilage de feuilles magné tiques analogues aux feuilles 7 @de la fig. 2 et comporte quatre pôles identiques 13a, 13b, 13c, lad, dont l'ouverture angulaire est â, tandis que l'ouverture angulaire de l'espace entre deux pôles est<I>b,</I> avec d'ailleurs ici<I>b ( â/2.</I>
Chaque pôle porte un bobinage 14a-14b-14c- 14d, les quatre bobinages étant identiques entre eux et dimensionnés pour admettre à la fois le courant d'excitation de cet alternateur et le courant alternatif qu'il engendre. Les deux points extrêmes de chaque bobinage sont désignés respectivement par A-B, C-D, E-F, G-H, ces points étant d'ailleurs homolo gues deux à deux dans deux bobinages contigus.
Les points B et C, D et E, F et G, H et A sont connectés ensemble deux à deux, à des points res pectifs I-J-K-L. Ces quatre derniers points consti tuent les sommets d'un montage électrique en pont, montage dans lequel l'une des diagonales du pont est la ligne 15a-15b, et l'autre diagonale la ligne 16a-16b. La ligne 15a-15b est la ligne de puissance de l'alternateur, par laquelle celui-ci débite le cou rant alternatif produit;
et la ligne 16a-16b est celle de son excitation, laquelle est produite à partir d'une source 17 de courant continu. Le courant d'excita tion et le courant alternatif produit se trouvent donc superposés dans chacun des quatre bobinages, ainsi que cela est connu.
Quant à la partie mobile ou rotor 18 de cet alternateur, qui est montée sur l'arbre 19, elle est constituée, dans son ensemble, de la même façon que le rotor selon la fig. 2.
L'ouverture angulaire d'une dent 20a ou 20b étant c, cette ouverture angulaire reçoit une valeur particulière, sensiblement égale à la somme â -I- b des ouvertures angulaires d'un pôle et de l'espace entre pôles.
<B>Il</B> résulte de ce perfectionnement ce qui suit si l'on appelle M et N les arêtes d'extrémité de la dent 20a, P et Q celles du pôle 13d, R et S celles du pôle lia, et si la partie mobile 18 tourne dans le sens Fl, au moment où l'arête M de la dent 20a (avant la position indiquée sur la fig. 1) parvenait en regard de l'arête R du pôle 13a, ladite arête M allait s'engager sous ce pôle avec la dent 20a, tandis que la partie de la même dent située à proximité de l'arête N allait commencer à se dégager du pôle 13d.
Ainsi la valeur angulaire de la fraction de la dent 20a qui s'engage pendant un temps donné sous le pôle 13a est exactement la même que celle de la fraction opposée de la même dent qui se dégage du pôle contigu 13d pendant le même temps. Il en ré sulte que le flux magnétique qui traverse le bobinage 14d, supporté par le pôle 13d, décroît pendant un temps donné avec une valeur absolue qui est la même que celle dont croît, pendant le même temps, le flux qui traverse le bobinage l4a supporté par le pôle 13a.
Autrement dit, les variations du flux dans les pôles contigus, respectifs lad et 13a ont, pendant un temps donné, la même valeur absolue, mais des sens inverses.
Il en résulte que les forces électromotrices indui tes pendant ce temps dans les deux bobinages 14a et 14d, par les variations de flux, ont la même valeur absolue, mais des sens contraires. Il résulte de cela que la tension induite au sommet I du pont électri que I-J-K-L est toujours la même que la tension au sommet K de la même diagonale du pont. Par conséquent, il n'y a pas de circulation parasite de courant dans la ligne 16a-16b d'excitation de l'alter nateur. Seul circule dans cette ligne le courant d'exci tation produit par la source continue 17.
Et du fait de cette absence de circulation de courants parasites dans la ligne d'excitation, le rendement de cet alter nateur est sensiblement plus élevé que celui d7alter- nateurs connus à réluctance variable, dans lesquels circulent normalement de tels courants parasites, et sensiblement plus élevé aussi que celui d'un alterna- teur bipolaire réalisé comme la machine de la fig. 1.
En ce qui concerne les sommets J et L de la diagonale J-L du pont I-J-K-L, les tensions alterna tives induites y varient constamment, au point J, en sens inverse des variations de même amplitude qui se produisent au point L : il en résulte que l'énergie mécanique fournie au rotor 18 de cet alternateur est, à l'exception des pertes normales dans les tôles et dans les conducteurs, entièrement transformée en courant électrique utile dans la ligne 15a-15b de puissance.
Ce résultat n'est d'ailleurs obtenu, outre les particularités concernant les dimensionnements rela tifs des pôles, des espaces entre pôles et des dents, que grâce au fait que les dents du rotor 18 sont saturées, tandis que les autres parties de l'alternateur ne sont pas saturées. S'il n'en était pas ainsi, les variations de flux dans deux pôles contigus ne se raient pas égales en valeur absolue, de sorte que les forces électromotrices engendrées dans les bobines correspondantes ne seraient pas non plus égales et de sens inverses ;
il en résulterait que les sommets I et K du pont I-J-K-L ne seraient pas à la même ten sion induite, de sorte qu'il y aurait une circulation de courants parasites, correspondant à des pertes, dans la ligne 16a-16b d'excitation.
Selon des variantes, la machine à réluctance va riable pourrait d'ailleurs être un moteur à déplace ment rectiligne alternatif, notamment pour actionner une pompe, ou un moteur électrique alimenté en courant continu, ou bien en courant alternatif, no tamment du type synchrone ou bien du type à commutation.