Machine électrique<B>à</B> deux rotors Pour donner<B>à</B> une machine électrique tournante le maximum de puissance dans un encombrement donné, on peut en augmenter la vitesse de rotation, mais on est assez vite limité dans cette voie par des considérations d'ordre mécanique.
Comme seule entre en ligne de compte, dans la recherche de la puissance maximale, la vitesse rela tive entre les deux parties du circuit magnétique, ap pelées communément inducteur et induit, on a<B>déjà</B> proposé de faire tourner l'inducteur et l'induit<B>à</B> des vitesses égales et de sens opposés<B>:</B> la vitesse absolue de chaque rotor est ainsi la moitié de la vitesse du rotor d'une machine classique, pour la même vitesse relative entre les deux parties du circuit magnétique. De telles machines<B>à</B> inducteur et induit tournants trouvent une application particulièrement intéressante en traction Diesel-électrique, où les questions d'en combrement et de poids sont prépondérantes<B>:</B> deux moteurs Diesel entraînent,<B>à</B> des vitesses égales et <B>de</B> sens opposés, l'un l'inducteur, l'autre l'induit, d'un alternateur.
Lorsqu'on veut appliquer cette disposition<B>à</B> une machine<B>à</B> courant continu de type classique, on se heurte<B>à</B> des difficultés considérables, qui proviennent principalement du fait que les balais solidaires du système inducteur, tournent<B>à</B> la même vitesse que cet inducteur, et que le champ magnétique tourne également<B>à</B> la vitesse de l'inducteur.
Il en résulte que la machine<B>à</B> courant continu<B>à</B> inducteur et in duit tournants présente les mêmes inconvénients que la machine<B>à</B> inducteur fixe<B>(à</B> vitesse relative égale de l'inducteur par rapport<B>à</B> l'induit), en ce qui con cerne<B>:</B> la vitesse élevée de défilement du collecteur sous les balais, cause d'usure des balais et du collec teur, et cause d'étincelles<B>;</B> la durée réduite de la commutation, cause d'étincelles<B>;</B> la fréquence d'ai mantation élevée, cause<B>de</B> pertes magnétiques im portantes.
La machine<B>à</B> courant continu<B>à</B> inducteur et in duit tournants présente d'autre part un autre incon vénient, qui résulte de sa conception<B>:</B> les balais so lidaires du système inducteur sont soumis<B>à</B> l'action de la force centrifuge, et leur pression sur le collec teur est ainsi fonction de la vitesse.
L'objet de la présente invention est une machine électrique<B>à</B> deux rotors, du type<B>à</B> courant continu, ne présentant pas les inconvénients énoncés ci-dessus.
La machine selon l'invention comprend deux ro tors, sièges de la transformation d'énergie électrique en énergie mécanique (ou<B>de</B> la transformation in verse), qui portent, sur leurs faces en regard sépa rées par un entrefer, chacun un enroulement, et est caractérisée en ce que chacun de ces enroulements est un enroulement d'induit de machine<B>à</B> courant continu, associé<B>à</B> un organe de c.ommutation assu rant le renversement du courant dans les sections de l'enroulement en un nombre, égal pour les deux rotors, de points équidistants, fixes dans l'espace. Ces points seront appelés dans ce qui suit<B>e</B> points de commutation<B> </B> et leur nombre définit la polarité de l'enroulement, polarité qui doit être la même sur les deux rotors.
Cette machine ne possède donc pas d'inducteur, dans le sens où l'on entend habituellement ce terme dans le cas d'une machine<B>à</B> courant continu.
Les deux rotors coaxiaux peuvent se présenter sous une forme cylindrique ou discoïdale, ou sous toute autre forme de révolution. Les enroulements peuvent être des bobinages en anneau ou en tam bour, être concentrés ou répartis, imbriqués ou on- dulés, <B>à</B> pas diamétral ou<B>à</B> pas raccourci, etc. Les conducteurs de l'enroulement peuvent ê.re logés dans des encoches, ou disposés suivant toute autre techni que telle que celle des circuits imprimés, par exem ple. Les enroulements des deux rotors peuvent être électriquement identiques, ou différents.
L'organe<B>de</B> commutation associé<B>à</B> chaque enroulement peut être consti.ué par l'ensemble bien connu<B>:</B> collecteur<B>à</B> la mes et balais, mais on peut aussi utiliser un autre dispositif, tel que des diodes commandées, par exem ple.
Lorsque l'enroulement d'un des rotors est relié <B>à</B> son circuit extérieur<B>à</B> travers le disposi.if de com mutation, le courant traversant cet enroulement crée dans Pentrefer un champ magnétique, fixe dans l'es pace, dont l'amplitude est fonction de l'intensité du courant, et dont la direction de l'axe est liée<B>à</B> la position des points de commutation (position des ba lais, dans le cas où le dispositif de commutation est constitué par l'ensemble d'un collecteur et de balais).
Lorsque des courants parcourent simultanément les enroulements des deux rotors, ils créent dans l'en- trefer deux champs magnétiques qui, dans le cas<B>gé-</B> néral<B>où</B> la position des points de commutation d'un rotor ne coïncide pas avec la position des points de commutation de l'autre rotor, ont des axes de di rections différentes<B>;</B> l'angle défini par les axes des deux champs magnétiques est égal<B>à</B> l'écart angu laire entre les points de commutation respectifs sur les deux rotors. Ces deux champs magnétiques ont tendance<B>à</B> se superposer<B>:</B> il s'exerce donc sur les rotors un couple, qui tend<B>à</B> faire tourner les deux rotors dans des sens opposés.
L'intensité du couple qui s'exerce entre les deux rotors est fonction, d'une part, des intensités des courants dans chaque rotor et, d'autre part, de l'écart angulaire entre les points de commutation respectifs sur les deux rotors, c'est-à-dire de l'écart angulaire entre les axes magnétiques des deux enroulements. Le sens du couple n'est fonction que du sens de l'écart angulaire entre les axes magnétiques des deux enroulements.
En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire,<B>à</B> titre d'exemple non limitatif, et de manière schématique, une forme d'exécution de l'in vention.
La fi-,<B>1</B> représente une demi-coupe longitudi nale d'une machine conforme<B>à</B> l'invention, dont la fig. 2 représente, très schématiquement et partielle ment, une vue de face, tandis que la fi-.<B>3</B> donne un exemple d'enroulement disposé sur chacun des rotors.
En se référant<B>à</B> la fig. <B>1,</B> on voit que la machine est constituée par deux rotors concentriques, l'un in térieur<B>1</B> comprenant un empilage de tôles ferroma gnétiques 2, solidaire de l'arbre<B>3,</B> l'autre extérieur 4 comprenant un empilage de tôles<B>5,</B> solidaire de Par- CD bre <B>6.</B>
L'empilage de tôles 2 porte un enroulement<B>7</B> re lié<B>à</B> un collecteur<B>à</B> lames<B>8,</B> tandis que l'empilage <B>de</B> tôles<B>5</B> porte un enroulement<B>9</B> relié<B>à</B> un collec teur<B>à</B> lames<B>10.</B>
Les rotors Intérieur<B>1</B> et extérieur 4 peuvent tourner l'un par rapport<B>à</B> l'autre, au moyen dég roulements<B>à</B> billes<B>11</B> et 12<B>;</B> ils peuvent tourner l'un et l'autre par rapport<B>à</B> la partie fixe de 'la ma chine, au moyen des roulements<B>13</B> et 14.
La partie fixe de la machine comporte essentielle ment un flasque<B>15</B> qui porte les balais<B>16</B> frottant sur le collecteur<B>8,</B> un flanque<B>17</B> qui porte les balais <B>18</B> frottant sur le col'ecteur <B>10,</B> une carcasse<B>19</B> et un flasque 20 assurant la rigidité de l'ensemble.
La fig. <B>3</B> représente,<B>à</B> titre non limitatif, un exemp'e de schéma partiel d'enroulement pouvant être disposé sur les deux rotors. Cet enroulement est du type imbriqué simple<B>à</B> pas diamé:ral, avec deux conducteurs par encoche et huit encoches par pôle. 21 représente les encoches et 22 les dents du rotor. Les conducteurs<B>23,</B> représentés en trait plein, sont situés<B>à</B> la partie supérieure des encoches 21 et les conducteurs 24, représentés en trait pointillé, sont situés au fond des encoches 21.
Le collecteur est constitué par des lames<B>25</B> séparées par des entre- lames <B>26.</B> Les balais d'une polarité ont été désignés <B>à</B> titre d'exemple par<B>16'</B> et ceux de l'autre polarité par<B>M".</B>
La fi-. 2 représente les seuls éléments nécessaires <B>à</B> la compréhension de l'invention. Les balais d'une polarité<B>18'</B> du rotor extérieur sont reliés par des tresses souples<B>27 à</B> un anneau de connexion<B>28,</B> tan dis que les balais<B>18"</B> de polarité inverse sont reliés par des tresses souples<B>29 à</B> un anneau de con nexion<B>30. De</B> même, les balais<B>16'</B> d'une polarité <B>du</B> rotor intérieur sont. reliés par des tresses souples <B>31 à</B> un anneau de connexion<B>32</B> et les balais<B>16"</B> de polarité inverse, par des tresses souples<B>33 à</B> un anneau de connexion 34.
Les anneaux de connexion <B>28, 30, 32</B> et 34 sont fixés sur les flasques<B>15</B> et<B>17,</B> au moyen de pattes<B>35</B> basées sur les anneaux de connexion et vissées sur les flasques par l'intermé diaire de pièces isolantes<B>36,</B> comme on l'a repré senté sur la fig. <B>1,</B> seulement pour les anneaux<B>32</B> et 34, afin de simplifier la figure.
Dans le cas parti culier représenté, où la machin.- fonctionne en mo teur, et où les deux rotors<B>1</B> et 4 sont alimentés en série, les anneaux de connexion<B>30</B> et<B>32</B> sont re!iés par une pièce en<B>U 37,</B> dont chacune des branches est fixée par boulon sur l'un de ces anneaux de con nexion, et les anneaux de connexion<B>28</B> et 34 sont branchés respectivement<B>à</B> l'une des bornes d'une source de courant représentée schématiquement en<B>3 8.</B>
Le décalage angulaire entre les axes magnétiques des deux enroulements intérieur et extérieur est<B>dé-</B> fini par Pangle <B> </B> que fait l'axe oy d'un balai positif du rotor intérieur<B>1,</B> avec l'axe ox d'un balai positif du rotor extérieur 4, compté positivement dans le sens défini sur le schéma par la flèche<B>f.</B>
On désignera par H, le champ magnétique créé dans l'entrefer par le rotor intérieur<B>1,</B> par H, le champ magnétique créé dans l'entrefer par le rotor extérieur 4.
On supposera, pour simplifier, que les deux ro tors sont électriquement identiques, et l'on fera va- ricr u entre<B>0</B> et 120o, ce qui est suffisant dans le cas considéré d'une machine<B>à</B> six pôles.
Pour cf. <B>= 0</B> et<B>a =</B> 12011, les champs H et H4 sont superposés, et le couple est nul.
Pour<B>a =</B> 6011, la somme géométrique des champs H et H# est nulle, et le couple est nul.
Lorsque<B>a</B> croit de<B>0 à 600</B> (ou de<B>600 à</B> 1200), le couple croît en valeur absolue, passe par un maxi mum, puis il décroît et s'annule.
<B>A</B> deux valeurs , et cz., de (x telles que a,<B>= 600</B> et<B>a, = 60o + P,</B> correspondent la même valeur de couple en valeur absolue, et des sens de rotation inversés.
On a supposé dans cet exemple que le moteur était alimenté en courant continu. On pourrait éga lement appliquer au moteur une tension ondulée, alternalive (sinusoïdale ou non), en créneaux ou se présentant sous forme d'impulsions. Les deux ro tors, au lieu d'être alimentés en série, pourraient être couplés en parallèle ou alimentés séparément.
Le moteur décrit<B>à</B> titre d'exemple permet d'ob tenir, sur deux arbres concentriques, deux mouve ments de rotation inverse, dont les vitesses respec tives sont fonction des couples résistants appliqués sur ces arbres. Ce moteur présente notamment les particularités suivantes<B>:</B> les balais d'alimentation sont fixes dans l'espace<B>;</B> le champ magnétique résultant dans l'entrefer est fixe dans l'espace (puisque les axes magnétiques des deux rotors sont fixes dans l'espace), donc la fréquence d'aimantation d'un rotor ne<B>dé-</B> pend que de la vitesse absolue du rotor considéré<B>;
</B> il est possible de modifier les caractéristiques du mo- gissant sur le décalage angulaire des balais teur en ag d'un rotor par rapport<B>à</B> l'autre.
Electric machine <B> with </B> two rotors To give <B> to </B> a rotating electric machine the maximum power in a given size, we can increase the speed of rotation, but we are quickly limited in this way by mechanical considerations.
As the only factor in the search for maximum power is the relative speed between the two parts of the magnetic circuit, commonly called inductor and armature, we have <B> already </B> proposed to rotate the 'inductor and armature <B> at </B> equal speeds and in opposite directions <B>: </B> the absolute speed of each rotor is thus half the speed of the rotor of a conventional machine, for the same relative speed between the two parts of the magnetic circuit. Such machines <B> with </B> inductor and rotating armature find a particularly interesting application in Diesel-electric traction, where the questions of size and weight are preponderant <B>: </B> two Diesel engines drive , <B> at </B> equal speeds and <B> of </B> opposite directions, one the inductor, the other the armature, of an alternator.
When one wants to apply this provision <B> to </B> a <B> to </B> direct current machine of conventional type, one comes up against <B> </B> considerable difficulties, which arise mainly from the that the brushes integral with the inductor system, rotate <B> at </B> the same speed as this inductor, and that the magnetic field also rotates <B> at </B> the speed of the inductor.
As a result, the <B> </B> direct current <B> </B> inductor and rotary inductor machine has the same drawbacks as the <B> </B> fixed inductor <B> ( at </B> equal relative speed of the inductor with respect to <B> to </B> the armature), as regards <B>: </B> the high speed of travel of the collector under the brushes , cause of wear of the brushes and the collector, and cause of sparks <B>; </B> the reduced duration of the commutation, cause of sparks <B>; </B> the frequency of ignition high, cause <B> of </B> high magnetic losses.
The <B> </B> direct current <B> </B> inductor and rotating inductor machine has another drawback, which results from its design <B>: </B> the brushes solids of the inductor system are subjected <B> to </B> the action of centrifugal force, and their pressure on the manifold is thus a function of speed.
The object of the present invention is an electric machine <B> with </B> two rotors, of the type <B> with </B> direct current, not having the drawbacks stated above.
The machine according to the invention comprises two rotors, seats for the transformation of electrical energy into mechanical energy (or <B> of </B> the reverse transformation), which bear, on their facing faces separated by a air gap, each a winding, and is characterized in that each of these windings is a direct current <B> </B> machine armature winding, associated <B> with </B> a switching member ensuring the reversal of the current in the sections of the winding in a number, equal for the two rotors, of equidistant points, fixed in space. These points will be called in what follows <B> e </B> switching points <B> </B> and their number defines the polarity of the winding, polarity which must be the same on both rotors.
This machine therefore does not have an inductor, in the sense in which this term is usually understood in the case of a direct current <B> </B> machine.
The two coaxial rotors can be in a cylindrical or discoidal shape, or in any other form of revolution. The windings can be ring or drum windings, concentrated or distributed, nested or wavy, <B> to </B> not diametrical or <B> to </B> not shortened, etc. The conductors of the winding can be housed in notches, or arranged according to any other technique such as that of printed circuits, for example. The windings of the two rotors can be electrically identical, or different.
The <B> </B> switching device associated <B> with </B> each winding can be constituted by the well known assembly <B>: </B> collector <B> to </ B > mes and brushes, but it is also possible to use another device, such as controlled diodes, for example.
When the winding of one of the rotors is connected <B> to </B> its external circuit <B> to </B> through the switching device, the current flowing through this winding creates a magnetic field in the air gap , fixed in space, the amplitude of which depends on the intensity of the current, and the direction of the axis of which is linked <B> to </B> the position of the switching points (position of the , in the case where the switching device consists of the assembly of a collector and brushes).
When currents flow simultaneously through the windings of the two rotors, they create in the hell two magnetic fields which, in the <B> general case <B> where </B> the position of the points of switching of one rotor does not coincide with the position of the switching points of the other rotor, have axes of different directions <B>; </B> the angle defined by the axes of the two magnetic fields is equal < B> to </B> the angular distance between the respective switching points on the two rotors. These two magnetic fields tend to <B> to </B> overlap <B>: </B> a torque is therefore exerted on the rotors, which tends <B> to </B> make the two rotors turn. in opposite directions.
The intensity of the torque exerted between the two rotors is a function, on the one hand, of the intensities of the currents in each rotor and, on the other hand, of the angular difference between the respective switching points on the two rotors , that is to say the angular difference between the magnetic axes of the two windings. The direction of the torque is only a function of the direction of the angular difference between the magnetic axes of the two windings.
With reference to the attached schematic figures, a description will be given, <B> to </B> by way of non-limiting example, and in a schematic manner, of an embodiment of the invention.
The fi, <B> 1 </B> represents a longitudinal half-section of a machine conforming <B> to </B> the invention, of which fig. 2 shows, very schematically and partially, a front view, while figure <B> 3 </B> gives an example of a winding arranged on each of the rotors.
Referring <B> to </B> in fig. <B> 1, </B> we see that the machine is made up of two concentric rotors, one inside <B> 1 </B> comprising a stack of ferromagnetic sheets 2, integral with the shaft <B > 3, </B> the other exterior 4 comprising a stack of sheets <B> 5, </B> integral with Part CD bre <B> 6. </B>
The stack of sheets 2 carries a winding <B> 7 </B> re linked <B> to </B> a collector <B> with </B> blades <B> 8, </B> while the The stack <B> of </B> sheets <B> 5 </B> carries a winding <B> 9 </B> connected <B> to </B> a collector <B> to </B> blades <B> 10. </B>
The inner <B> 1 </B> and outer 4 rotors can rotate with respect to <B> </B> each other, by means of <B> </B> ball bearings <B> 11 </B> and 12 <B>; </B> they can both turn relative to <B> </B> the fixed part of the machine, by means of bearings <B> 13 </B> and 14.
The fixed part of the machine essentially comprises a flange <B> 15 </B> which carries the brushes <B> 16 </B> rubbing on the collector <B> 8, </B> a flank <B> 17 </B> which carries the brushes <B> 18 </B> rubbing on the collector <B> 10, </B> a carcass <B> 19 </B> and a flange 20 ensuring the rigidity of the 'together.
Fig. <B> 3 </B> represents, <B> by </B> without limitation, an example of a partial winding diagram that can be arranged on the two rotors. This winding is of the simple nested type <B> with </B> pitch: ral, with two conductors per slot and eight slots per pole. 21 shows the notches and 22 the teeth of the rotor. The conductors <B> 23, </B> shown in solid lines, are located <B> at </B> the upper part of the notches 21 and the conductors 24, shown in dotted lines, are located at the bottom of the notches 21.
The collector is formed by blades <B> 25 </B> separated by interleaves <B> 26. </B> The brushes of one polarity have been designated <B> to </B> as example by <B> 16 '</B> and those of the other polarity by <B> M ". </B>
The fi-. 2 represents the only elements necessary <B> for </B> an understanding of the invention. The brushes of a polarity <B> 18 '</B> of the outer rotor are connected by flexible braids <B> 27 to </B> a connection ring <B> 28, </B> tan say that the <B> 18 "</B> brushes of reverse polarity are connected by flexible braids <B> 29 to </B> a connection ring <B> 30. Similarly, the brushes <B> 16 '</B> of a polarity <B> of the </B> inner rotor are. Connected by flexible braids <B> 31 to </B> a connection ring <B> 32 </B> and the <B> 16 "</B> brushes of reverse polarity, by flexible braids <B> 33 to </B> a connection ring 34.
The connection rings <B> 28, 30, 32 </B> and 34 are fixed on the flanges <B> 15 </B> and <B> 17, </B> by means of brackets <B> 35 < / B> based on the connection rings and screwed onto the flanges by means of insulating parts <B> 36, </B> as shown in fig. <B> 1, </B> only for rings <B> 32 </B> and 34, in order to simplify the figure.
In the particular case shown, where the machine works as a motor, and where the two rotors <B> 1 </B> and 4 are supplied in series, the connection rings <B> 30 </B> and <B> 32 </B> are connected by a <B> U 37 </B> part, each of whose branches is fixed by bolt on one of these connection rings, and the connection rings <B> 28 </B> and 34 are connected respectively <B> to </B> one of the terminals of a current source shown schematically at <B> 3 8. </B>
The angular offset between the magnetic axes of the two inner and outer windings is <B> de- </B> finite by the angle <B> </B> made by the axis oy of a positive brush of the inner rotor <B> 1, </B> with the axis ox of a positive brush of the outer rotor 4, counted positively in the direction defined on the diagram by the arrow <B> f. </B>
We denote by H, the magnetic field created in the air gap by the inner rotor <B> 1, </B> by H, the magnetic field created in the air gap by the outer rotor 4.
We will suppose, for simplicity, that the two tors are electrically identical, and we will vary u between <B> 0 </B> and 120o, which is sufficient in the case considered of a machine <B > at </B> six poles.
For cf. <B> = 0 </B> and <B> a = </B> 12011, the H and H4 fields are superimposed, and the couple is zero.
For <B> a = </B> 6011, the geometric sum of the fields H and H # is zero, and the couple is zero.
When <B> a </B> increases from <B> 0 to 600 </B> (or from <B> 600 to </B> 1200), the torque increases in absolute value, goes through a maximum, then it decreases and vanishes.
<B> A </B> two values, and cz., Of (x such as a, <B> = 600 </B> and <B> a, = 60o + P, </B> match the same value torque in absolute value, and reverse directions of rotation.
It was assumed in this example that the motor was supplied with direct current. It is also possible to apply to the motor an undulating voltage, alternating (sinusoidal or not), in square waves or in the form of pulses. The two rotors, instead of being supplied in series, could be coupled in parallel or supplied separately.
The motor described <B> to </B> by way of example makes it possible to obtain, on two concentric shafts, two movements of reverse rotation, the respective speeds of which are a function of the resistive torques applied to these shafts. This motor has the following particularities in particular <B>: </B> the supply brushes are fixed in space <B>; </B> the resulting magnetic field in the air gap is fixed in space (since the magnetic axes of the two rotors are fixed in space), therefore the magnetization frequency of a rotor <B> depends only on the absolute speed of the considered rotor <B>;
</B> it is possible to modify the characteristics of the moving element on the angular offset of the brushes in ag of one rotor in relation to <B> to </B> the other.