Machine synchrone à pôles saillants La présente invention se rapporte à une machine synchrone à pôles saillants et à nombre de pôles variable de Pl à P, ou vice versa, Pl étant plus grand que P._ Une telle machine synchrone à pôles saillants peut, par exemple, produire du courant alternatif à 50 périodes ou à 60 périodes par seconde, et être susceptible de travailler soit comme alterna teur, soit comme moteur, par exemple pour entraîner une pompe à une vitesse différente de celle de son fonctionnement en alternateur.
Les alternateurs installés dans les stations hydro électriques situées entre des réseaux de distribution de courant travaillant respectivement à 50 périodes et à 60 périodes sont généralement destinés à fonc tionner à l'une et à l'autre de ces deux fréquences, de faon qu'ils puissent fournir du courant électrique à ces deux réseaux.
Si le nombre des pôles de l'alternateur est main tenu constant dans un tel cas, le nombre de tours du moteur d'entraînement, par exemple d'une tur bine hydraulique, doit pouvoir être changé. Toute fois, le rendement de ce moteur varie lorsqu'on le fait marcher à des vitesses différentes. Certains moteurs peuvent marcher avec un rendement élevé à une certaine vitesse, mais leur rendement diminue lorsqu'ils tournent à des vitesses inférieures à ladite vitesse particulière.
Pour cette raison, lorsqu'on pro jette une installation génératrice de courant électrique en partant du point de vue de l'obtention d'un ren dement élevé du moteur d'entraînement, les alterna teurs sont généralement construits selon le type à nombre de pôles variable, de façon que le moteur puisse tourner à la même vitesse pour les deux fré quences.
Ce type de machines synchrones à pôles saillants dont le nombre est variable trouve également une importante application dans la construction de sta- tions dites de pompage , dans lesquelles des tur bines à eau sont utilisées aussi bien pour entraîner des alternateurs que pour pomper de l'eau.
Comme il est bien connu des hommes du métier, les stations de pompage sont généralement utilisées comme sta tions de pointes de charge, dans lesquelles les machi nes synchrones peuvent fonctionner comme moteurs synchrones destinés à absorber le surplus de courant électrique du réseau pendant le milieu de la nuit en entraînant des turbines à eau fonctionnant comme pompes pour pomper de l'eau dans un réservoir situé en amont de la station génératrice.
Pendant les heures diurnes de pointes de consommation, l'eau qui a été pompée pendant la nuit est utilisée pour faire marcher les turbines qui entraînent les machines synchrones fonctionnant alors comme alternateurs et produisant par conséquent du courant électrique alternatif. Dans les turbines à eau usuelles, les vites ses de rendement maximum sont différentes pour la production de courant électrique et pour le pompage.
Etant donné que la fréquence du réseau est la même pour le pompage que pour la production de cou rant, il est nécessaire de construire la machine syn chrone sous la forme d'une machine à nombre de pôles variable afin d'obtenir un bon rendement de la station de pompage. Alors que la construction pour le changement du nombre de pôles de l'enroulement du stator est relativement facile à réaliser, le change ment du nombre de pôles saillants du rotor pose divers problèmes.
Jusqu'à présent, pour changer le nombre de pôles saillants d'une machine synchrone du type à pôles saillants, par exemple pour passer de 22 pôles à 18 pôles ou de 12 pôles à 10 pôles, on formait 22 ou 12 pôles saillants sur le rotor. Pour le fonction nement à 22 ou 12 pôles, tous ces pôles saillants étaient utilisés, tandis que pour le fonctionnement à 18 ou 10 pôles, quatre de ces 22 pôles ou deux de ces 12 pôles étaient privés d'énergie excitatrice, ce qui donnait naissance à un champ tournant non uniforme.
Puisque quatre de ces 22 pôles sont privés d'énergie excitatrice pour le fonctionnement avec 18 pôles, le facteur d'utilisation du flux magnétique pour le fonctionnement à 18 pôles est inférieur à celui pour le fonctionnement à 22 pôles. II s'ensuit qu'afin d'augmenter le rendement pour le fonction nement à 18 pôles la machine synchrone doit avoir de très grandes dimensions.
Par exemple, en sup posant que la valeur de crête de la densité maximum de flux de l'onde fondamentale pour le fonctionne ment à 22 pôles soit B,2 et que celle pour le fonc tionnement à 18 pôles soit B18, le rapport entre les valeurs de crête serait représenté par <U>B..,:</U> B18 = 1 : 0,67.
Il s'ensuit que le poids d'une telle machine synchrone est supérieur d'environ 25 à 30 % à celui d'une machine synchrone ordinaire, à nombre de pôles constant, ce qui est évidemment peu économique.
L'un des buts de la présente invention est donc de créer une machine synchrone à pôles saillants et à nombre de pôles variable dans laquelle le facteur d'utilisation du flux magnétique n'accuse qu'une fai ble diminution lorsque la machine passe du nombre de pôles élevé au nombre de pôles inférieur et dans laquelle l'obtention de cette caractéristique n'est pas accompagnée d'une augmentation sensible des dimen sions de la machine.
La présente invention a pour objet une machine synchrone à pôles saillants et à nombre de pôles variables de Pl à P., ou vice versa, ledit nombre de pôles P, étant plus grand que P., caractérisée en ce que son rotor comporte P, pôles saillants consistant en pôles de deux types, larges et étroits, en ce que les pôles étroits sont disposés de manière à former au moins deux paires placées chacune entre des pôles larges, en ce que les pôles de chacune de ces paires sont respectivement excités de façon à être de pola rités différentes dans le cas du régime à P,
pôles et de façon à être de même polarité dans le cas du régime à P., pôles, et en ce que la largeur polaire de chaque pôle étroit est telle que le flux de sa partie d'extrémité adjacente au pôle large voisin empiète quelque peu sur le flux de ce pôle voisin.
Le dessin annexé représente schématiquement, à titre d'exemple, une forme d'exécution de la machine objet de l'invention.
La fig. 1 représente, par des vues développées en plan, des schémas de la périphérie d'un rotor que comprend cette forme d'exécution.
La fig. 2 représente un rotor dont les pôles cor respondent au schéma de la fig. 1c.
La fig. 3 est un schéma du bobinage d'un stator associé au rotor de la fig. 2, pour le régime à 12 pôles.
La fig. 4 est un schéma du bobinage du même stator avec connexions pour le régime à 10 pôles, et la fig. 5 représente schématiquement un commu tateur changeur de pôles permettant de passer du régime à 12 pôles au régime à 10 pôles ou vice versa.
La fig. 1 représente schématiquement le rotor d'une machine synchrone à pôles saillants susceptible de fonctionner avec 12 pôles (P) et avec 10 pôles (P.). Pour déterminer comment le nombre néces saire de ces pôles saillants doivent être placés sur le rotor, la surface périphérique du rotor est divisée en 60 segments égaux entre eux, ce qui correspond au plus petit commun multiple de 10 à 12 pôles, comme il est représenté dans les fig. la à 1d. En supposant que chacun de ces segments égaux est muni d'une fente appropriée, pour former 12 pôles, les enroulements sont disposés, respectivement, dans les fentes 1, 6 ; 6, 11 ; 11, 16 ; 16, 21 ; 21, 26 ; 26, 31 ; 31, 36 ; 36, 41 ; 41, 46 ; 46, 51 ; 51, 56 ;
et 56, 1, comme on le voit dans la fig. <I>la</I><B>;</B> ces enroulements sont excités de façon à former alter nativement des pôles N et S, comme indiqué par les flèches. Pour former 10 pôles, les enroulements sont disposés, respectivement, dans les fentes 1, 7 ; 7, 13 ; 13, 19 ; 19, 25 ; 25, 31 ; 31, 37 ; 37, 43 ;
43, 49 ; 49, 55 ; et 55, 1 comme on le voit dans la fig. lb, et ces enroulements sont excités de façon à former alternativement des pôles N et S, comme indiqué par les flèches. Pour permettre de changer le nombre de pôles, un enroulement A1 est enroulé dans les fentes 1 et 6 ; un enroulement B, dans les fentes 6 et 7 ; un enroulement A:> dans les fentes 7 et<B>11</B> ; un enroulement B= dans les fentes 11 et 13 ; A3 dans 13 et 16, B8 dans 16 et 19 ; A-, dans 19 et 21 ; B1 dans 21 et 25 ; A:, dans 25 et 26 ;
B, dans 26 et 31 ; B,; dans 31 et 36 ; A,; dans 36 et 37 ; B7 dans 37 et 41 ; A-, dans 41 et 43 ; B8 dans 43 et 46 ; A8 dans 46 et 49 ; B,, dans 49 et 51 ; A,, dans 51 et 55 ; B," dans 55 et 56 ; et Al" dans 56 et 1 ; comme indiqué dans les fig. 1c et 1d. Pour le régime à 12 pôles, ces enroulements sont excités avec une polarité telle qu'il se forme 12 pôles semblables à ceux de la fig. la en combinant les enroulements B, et<B><U>A,</U>;</B><U>B.,</U> et Al.; ;
B:j et A 1 ; B et A.; ; A<B>,</B> et B7-; A7 et B8 ;<B>A.</B> et B,.,<B>; A,</B> et B,,, respectivement, comme indiqué par les flèches dans la fig. 1c. Pour obtenir le régime à 10 pôles, la polarité d'excitation des enroulements B, à B," est inversée, comme indiqué dans la fig. 1d de façon à former 10 pôles semblables à ceux de la fig. lb, en combinant les enroulements Al et B, ;
A.Z et Bz ; A.jetB;A.,etB,;A5etB,,;AsetB,;;A7etB7; A8 et B8 ; B,, et A,, ; et B," et A,", respectivement.
Afin de former des pôles saillants, la largeur des pôles les plus petits sur lesquels sont respective ment enroulés les enroulements B,<B>A:5</B> et<B>A6</B> et B,(, est choisie de façon à correspondre au 1l6" (60 étant le plus petit commun multiple de 12 et de 10) de l'entière périphérie du rotor, et en prenant cette dimension X comme unité, la largeur des différents pôles sera X, 2X, 3X, 4X, et 5X. La largeur 5X des pôles de plus grandes dimensions est déterminée par le nombre de paires de pôles
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correspondant au plus petit nombre de pôles, c'est- à-dire à 10 pôles.
On voit, par conséquent, que pour réaliser un changement du nombre de pôles dans des conditions optima, il faut des pôles de différentes dimensions, le nombre de ces dimensions correspon dant au nombre de paires de pôles nécessaire pour le régime au nombre de pôles le plus petit. Dans l'exemple de la fig. 1, il faut au total 20 enroulements présentant 5 dimensions différentes pour pouvoir changer le nombre de pôles entre 12 et 10. Or il n'est pas pratique de former un nombre de pôles saillants aussi élevé, car cela complique la construc tion de la machine et la renchérit.
Il est toutefois possible de remédier à cet inconvénient, sans provo quer une diminution du flux magnétique effectif, en éliminant les plus petits pôles qui n'ont qu'une largeur de X et de 2X et en augmentant quelque peu les ampères-tours des pôles adjacents. Dans la fig. 1c sont représentés les pôles 1 à 12 qui subsistent après l'élimination desdits petits pôles, comme pro posé ci-dessus. D'autre part, comme on le voit dans la fig. 1d, les pôles 1, 2, 5, 6, 7, 8, 11 et 12 ont tous des largeurs 4X ou 5X. On peut donc leur donner à tous une même largeur.
De même, les pôles 3, 4, 9 et 10 qui portent les enroulement A3, B3, Bn et A8, respectivement, auront tous une même largeur. On aura donc 12 pôles comprenant 8 grands pôles 3, 4, 9 et 10 qui portent les enroulements A3, d'égales dimensions 3X. Par conséquent, la machine ne devra plus comporter en tout que 12 pôles consis tant en deux sortes<B>de</B> pôles de dimensions diffé- rentes, ce nombre total de pôles étant égal à celui du régime au nombre de pôles le plus élevé.
Six de ces pôles sont disposés de part et d'autre d'une ligne de symétrie<B>QI</B> et les six pôles de chaque côté de la ligne C-, sont disposés trois par trois, symétriquement de part et d'autre de deux autres lignes de symétrie C3. Lorsque ces pôles de 1 à 12 y compris sont excités de façon à former alternativement des pôles N et S, comme indiqué dans la fig. 1 c, on obtient 12 pôles, et lorsque la direction du courant d'exci tation pour les pôles 1, 2, 3, 10,<B>11</B> et 12 reste inchangée, tandis que celle du courant d'excitation des autres pôles est inversée, on obtient 10 pôles comme indiqué dans la fig. 1d. Dans ce cas,
les pôles de chaque paire de petits pôles 3 et 4, et 9 et 10, coopèrent pour former à deux un seul pôle. Etant donné que tous les pôles sont disposés symé triquement par rapport aux lignes de symétrie C3 et Cl, il est possible d'éviter toute distorsion de la forme d'onde du voltage induit en connectant en série les enroulements situés entre lesdites lignes de symétrie.
Comme il a été énoncé plus haut, dans les sta tions génératrices dites de pompage, la vitesse de la machine synchrone est plus élevée lorsqu'elle travaille comme moteur de pompe que lorsqu'elle travaille comme génératrice, de sorte que le voltage induit est plus élevé lorsque la machine travaille comme moteur, ce qui facilite la construction de la machine.
Si donc la machine est construite de façon que le facteur d'utilisation du flux soit maximum au moment du fonctionnement comme génératrice, une légère diminution du flux magnétique effectif ne troublera généralement pas le fonctionnement comme moteur, c'est-à-dire le fonctionnement avec le plus petit nom bre de pôles.
Ainsi, la largeur des petits pôles .3, 4, 9 et 10 est augmentée dans la mesure représentée par les lignes pointillées dans les fig. 1d et le, de façon à empêcher une diminution du flux magnétique desdits pôles et éviter un fort dérangement du flux des grands pôles adjacents.
Ces élargissements, par exemple de X, sont effectués dans la direction des espaces relativement larges compris entre les pôles 2 et 3 ; 4 et 5 ; 8 et 9 ; 10 et 11 ; il en résulte une amélioration du facteur d'utilisation du flux pour le fonctionnement avec le plus grand nombre de pôles, c'est-à-dire avec le régime de la machine tra vaillant en génératrice avec 12 pôles (Pl).
Lorsque la largeur des petits pôles est ainsi élargie, ces pôles empiètent sur les espaces polaires adjacents au-delà des limites Cl et C2 lorsque la machine travaille avec 10 pôles (P2), comme il est indiqué dans la fig. le, de sorte qu'une partie du flux des pôles adjacents correspondant à cet empiètement est annulée et que le facteur d'utilisation du flux magnétique dans le cas du régime à 10 pôles diminue quelque peu.
Toutefois, comme il a déjà été expliqué, dans le régime au nombre de pôles le plus bas, une légère diminution du facteur d'utilisation du flux magnéti que ne cause guère de troubles appréciables dans le fonctionnement de la machine synchrone.
Ainsi, suivant cette forme de réalisation de l'in vention, par la simple présence de deux types de pôles de dimensions différentes et d'un nombre total de pôles égal au nombre de pôles nécessaires pour le régime au nombre de pôles le plus élevé, dans le cas particulier 12 pôles (Pl), la marche aux deux régimes de 10 et de 12 pôles peut être assurée de façon très satisfaisante avec une machine synchrone à pôles saillants de construction relativement simple, facile à projeter et à fabriquer.
Etant donné que cette machine ne contient aucun pôle destiné à rester inexcité lorsque la machine passe d'un régime à un autre, la diminution du facteur d'utilisation du flux magnétique est faible. De surcroît, cette disposition peut être facilement appliquée à des machines syn chrones dans lesquelles la différence entre les deux nombres de pôles est faible. En outre la distorsion de la forme d'onde du voltage induit est minime parce que l'uniformité du flux d'entrefer est toujours assurée.
Dans la machine dont le rotor est représenté à la fig. 2 et correspond au schéma de la fig. 1c, les pôles (1, 6, 7 et 12), (2, 5, 8 et 11), et (3, 4, 9 et 10) sont conçus de façon à présenter respectivement les mêmes largeurs que sur la fig. 1. Les largeurs des pôles 2, 5, 8 et 11 (4X) sont augmentées vers les espaces laissés libres par les pôles éliminés, de sorte que la largeur desdits pôles est égale à celle des pôles 1, 6, 7 et 12, c'est-à-dire 5X.
Le rotor est excité comme indiqué dans la fig. 2 dans le cas du régime à 12 pôles, mais cette excitation, dans le cas du régime à 10 pôles, s'effectue dans des conditions où les polarités des pôles 4, 5, 6, 7, 8 et 9 sont inversées. Cela revient à dire que cette excitation est alors réalisée selon le schéma de la fig. ld.
Dans la fig. 1d, les pôles 1, 2, 5, 6, 7, 8, 11 et 12 sont des larges pôles ayant des dimensions égales tandis que les pôles 3, 4 et 9, 10 sont des pôles étroits ayant les mêmes dimensions. Comme il ressort du dessin, les pôles étroits 3 et 4 ont des largeurs polaires empiétant respectivement vers la gauche et vers la droite et les pôles étroits 9 et 10 ont des largeurs polaires empiétant, respectivement, vers la gauche et vers la droite. Avec cette construc tion, il devient. possible d'obtenir une diminution du flux d'entrefer dans le régime au nombre de pôles le plus grand, c'est-à-dire dans le régime à 12 pôles.
En ce qui concerne le bobinage du stator, cha que phase consiste en six groupes d'enroulements et les dix-huit groupes sont distribués le long de zones de trois phases. Ces enroulements sont connectés comme indiqué dans la fig. 3 dans le cas du régime à 12 pôles et comme indiqué dans la fig. 4 dans le cas du régime à 10 pôles. Pour changer les con- nexions du bobinage du stator et passer du schéma de la fig. 3 à celui de la fig. 4 ou vice versa, on peut utiliser un commutateur changeur de pôles tel que celui schématisé dans la fig. 5.
Cela revient à dire que les bornes des dix-huit groupes d'enroule ments susmentionnés sont connectées aux bornes du commutateur changeur de pôles comme indiqué dans la fig. 5. De cette façon, si le commutateur est fermé sur le côté supérieur, les connexions sont telles que représentées dans la fig. 3 pour le régime à 12 pôles, et si ledit commutateur est fermé sur le côté infé rieur, les connexions s'établissent, comme indiqué dans la fig. 4, pour le régime à 10 pôles.