Machine électrique à réluctance variable La présente invention concerne une machine élec trique à réluctance variable, analogue à celle décrite dans le brevet suisse No 373098.
Le brevet ci-dessus a trait à une machine électri que à réluctance variable dans laquelle l'induction moyenne de saturation des dents du rotor est réduite à une valeur nettement inférieure à l'induction néces saire pour saturer les pôles magnétiques du stator et le reste du rotor, par exemple comprise entre 15 et 85 ()/o de l'induction maximale choisie pour le reste du circuit magnétique de la machine. On a ainsi la possibilité d'utiliser des champs magnétiques relati vement élevés dans les entrefers principaux sans per tes excessives et d'obtenir ainsi une grande puissance massique.
A cet effet, les dents du rotor sont consti tuées par des couches alternées de matériau magnéti que et de matériau non magnétique, par exemple par des tôles de fer pur séparées par des couches d'air.
Dans une forme de réalisation décrite dans ledit brevet d'une machine électrique présentant les carac téristiques ci-dessus, le stator comporte au moins deux paires de pôles, identiques entre elles, chaque pôle ayant une ouverture angulaire donnée a et l'espace entre pôles successifs ayant une ouverture angulaire b tandis que la partie mobile comporte des dents dont l'ouverture angulaire est sensiblement égale<I>à a</I> -h <I>b ;
</I> dans le cas d'une telle machine à deux paires de pôles utilisée en alternateur, chaque pôle est magnétisé à l'aide d'au moins un enroule ment dont une extrémité est alimentée en courant continu d'excitation et l'autre extrémité connectée à une ligne parcourue par le courant alternatif engendré, les extrémités de deux enroulements conti gus étant connectées entre elles et montées en pont électrique de telle manière que ledit courant continu d'excitation soit fourni dans une diagonale de ce pont et que ledit courant alternatif soit transporté dans l'autre diagonale dudit pont.
Il résulte de ces dispo sitions que les variations de flux produites dans deux pôles consécutifs par le déplacement d'une dent de la partie mobile par rapport auxdits pôles consécu tifs sont à chaque instant égales en valeur absolue et de sens opposés et qu'en conséquence d'une part, la tension induite aux deux extrémités de la diagonale du pont qui fournit le courant d'excitation de l'alter nateur étant toujours sensiblement la même, il ne cir cule dans ladite ligne d'excitation de l'alternateur qu'un faible courant alternatif parasite, d'autre part les tensions alternatives induites aux deux extrémités de l'autre diagonale du pont variant constamment en sens inverse,
la totalité de l'énergie mécanique four nie au rotor de l'alternateur est théoriquement trans formée en courant électrique utile, déduction faite des pertes normales dans les tôles et les conducteurs.
Cependant, il est apparu que, dans cette forme de réalisation, la séparation des circuits magnétiques des deux paires de pôles ne peut être réalisée qu'imparfaitement et que, de ce fait, les conditions théoriques ci-dessus ne peuvent pas être réalisées avec une précision suffisante pour obtenir le rende ment optimum de la machine.
Un but de la présente invention est de permettre la réalisation d'une machine électrique conforme aux principes du brevet déjà mentionné, mais de rende ment plus élevé et susceptible d'applications plus étendues que les machines conformes au mode de réalisation rappelé ci-dessus.
La machine selon l'invention comprend un stator ayant au moins deux paires de pôles et un rotor ayant au moins deux paires de dents constituées par de minces feuilles de fer séparées les unes des autres par des espaces contenant un matériau diélectrique, et est caractérisée en ce que le rotor est divisé per pendiculairement à son axe en deux demi-rotors solidaires dont chacun porte au moins une paire de dents et en ce que le stator est divisé en deux demi- stators dont chacun correspond à un demi-rotor et comporte au moins une paire de pôles en regard du demi-rotor correspondant.
Un avantage d'une telle machine électrique à deux paires de pôles utilisée en alternateur, dans laquelle les points communs aux enroulements de chaque paire de pôles sont connectés respectivement aux bornes d'une source de courant continu d'exci tation et la tension alternative engendrée est prise entre les points communs aux autres extrémités des- dits enroulements, conformément audit brevet, est que le courant prélevé sur le circuit alternatif est limité au courant débité par la source d'excitation en raison des ampère-tours démagnétisants du cou rant alternatif de sortie, qui, lorsque la ligne d'utili sation est en court-circuit,
deviennent égaux aux ampère-tours magnétisants du circuit d'excitation, évitant ainsi toute possibilité de surcharge de l'alternateur.
Un avantage particulier d'un tel alternateur est sa facilité de régulation, une faible variation du cou rant d'excitation pouvant produire une grande varia tion de puissance. En particulier dans le cas où une partie du courant d'excitation est proportionnelle au courant de sortie, il suffit d'agir sur un faible courant d'appoint pour obtenir une régulation efficace.
Un autre avantage de la machine électrique conforme à l'invention est qu'il suffit, pour la faire fonctionner en moteur du type dit K moteur univer sel 5>, de connecter ses enroulements d'excitation en série et de court-circuiter alternativement lesdits enroulements en synchronisme avec la rotation du moteur, les surtensions étant considérablement rédui tes par l'inductance de l'enroulement en série avec l'enroulement court-circuité.
Une forme d'exécution de l'invention est repré sentée, à titre d'exemple, aux dessins annexés dans lesquels : la fig. 1 représente schématiquement en coupe axiale une machine électrique tétrapolaire mon tée en alternateur ; la fig. 2 est une vue perspective de la machine électrique de la fig. 1 qui a été coupée selon la ligne I-I de la fig. 1 et dont un quart du stator a été supprimé pour laisser voir le rotor ;
la fig. 3 représente schématiquement la disposition d'une dent du rotor d'une machine conforme à une autre forme de l'invention, et la fig. 4 est une vue perspective analogue à la fig. 2 dans laquelle les dents du rotor sont constituées conformément à la dispo sition de la fig. 3.
On voit sur les fig. 1 et 2 le stator 31 d'un alter nateur du type à réluctance variable. Il est composé d'un empilage de feuilles magnétiques 32 et comporte quatre pôles identiques<B>33,</B> 33b, 33, , 33,1 dont l'ouverture angulaire est -c/2. Les pôles<B>33,</B> 33,1 sont alignés, de même que les pôles 33b , 33, qui leur font respectivement face en sorte que les feuilles magnétiques 32 peuvent être constituées par des tôles à grains orientés ce qui permet d'augmenter la puis sance massique de la machine.
Chaque pôle porte un enroulement 341, 34b, 34,, , 34,1 les quatre enroulements étant identiques et dimensionnés pour admettre à la fois le courant d'excitation de cet alter nateur et le courant alternatif qu'il engendre.
La partie mobile ou rotor est composée de deux parties ou demi-rotors 381, 3 & montées sur un même arbre 39. Chacun des demi-rotors 381,<B>382</B> est cons titué, conformément audit brevet, par un empilage de feuilles magnétiques 281 et 30a , les feuilles 281 ayant sur deux secteurs d'environ a/2 diamétrale ment opposés un diamètre supérieur à celui des feuil les 301, en sorte que des espaces d'air 2% séparent les parties des feuilles 28;,. qui débordent des feuilles 30" .
Ces parties débordantes des feuilles<B>28,</B> étant alignées sur chaque demi-rotor constituent les dents 40;,1 et 40b1 du demi-rotor 381 et les dents 40a2 et 40b, du demi-rotor 382. Les dents 40a1, 40b1 du demi-rotor 381 sont décalées de ir/2 par rapport aux dents 40, ,, 40b2 du demi-rotor<B>382.</B>
Il résulte de cette disposition que la somme des ouvertures angulaires des fractions de dents 40a1, 40a; d'une part, <U>40,</U>2 40,,, d'autre part engagées sous un pôle est constante et égale à yr/2. Lors de la rotation du rotor, les variations du flux magnéti que produites dans les pôles 33,1 et 33a sont ainsi à chaque instant égales en valeur absolue et de sens opposés, de même que les variations de flux produi tes simultanément dans les pôles 33,
et 33b. En con séquence les forces électromotrices induites par ces variations de flux dans les enroulements 34a, 34b d'une part et 34,, 34,1 d'autre part sont à chaque instant égales et de sens contraires.
Lorsqu'on réalise un montage en pont électrique I.J.K.L. tel que représenté sur la fig. 1, où les enrou lements 34, , 34b sont connectés en parallèle à une borne d'une source d'excitation 37 et respectivement en série avec les enroulements 34, 34,1 connectés eux-mêmes en parallèle à l'autre borne de la source 37, et où la ligne de puissance de l'alternateur est établie entre les points L et J communs aux enrou lements 34a et 34,1 d'une part, 341, et 34,, d'autre part,
on voit que les tensions induites aux extrémités de la diagonale I.K. étant toujours égales et de même signe, aucun courant alternatif n'est envoyé dans la ligne d'excitation, tandis que les tensions induites aux extrémités de la diagonale J.L. étant égales et en opposition de phase, la totalité de l'énergie mécani que fournie au rotor 38 est transférée à la ligne de puissance sous forme de courant alternatif, à l'excep tion des pertes normales dans les tôles et dans les conducteurs.
Ce résultat qui est subordonné à la condition que les dents du rotor 38 soient saturées, les autres par ties de l'alternateur ne l'étant pas, est favorisé par la séparation entre les circuits magnétiques des pôles qui doivent subir des variations de flux de sens opposés.
Les fig. 3 et 4 montrent une autre forme de réa lisation des dents d'une machine conforme aux fig. 1 et 2. Dans cette forme de réalisation, les dents sont constituées en sorte que leur densité moyenne de métal magnétique décroisse de part et d'autre de leur axe selon une loi sensiblement sinusoïdale.
On remarque en effet que dans le mode de réa lisation représenté par les fig. 1 et 2, les dents de la partie mobile présentent des caractéristiques magné tiques constantes dans tout leur développement en sorte que, par exemple, quand une telle machine est utilisée en alternateur, les dents du rotor ayant, comme les pôles du stator sous lesquels elles se dépla cent, une forme sensiblement parallélépipédique,
l'accroissement du flux magnétique pendant l'intro duction d'une dent sous un pôle et la diminution du flux magnétique pendant la sortie de la dent de sous le pôle sont constants et proportionnels au déplace ment angulaire du rotor, d'où il résulte que les forces électromotrices engendrées dans les bobinages stato- riques par le passage d'une dent sous un pôle pren nent successivement deux valeurs opposées et sensi blement constantes au moins en fonctionnement à vide ou à faible charge.
Le signal produit dans ces conditions par un tel alternateur a donc une forme approximativement rectangulaire, ce qui peut être un inconvénient pour l'alimentation de certains réseaux d'utilisation ainsi que dans le cas où de telles machi nes sont utilisées en moteurs synchrones alimentés par un réseau fournissant un courant sinusoïdal.
Dans la forme de réalisation particulière corres pondant aux fig. 3 et 4, chaque dent du rotor est constituée par des tôles de profil sensiblement rec tangulaire, d'ouverture angulaire inférieure à l'ouver ture angulaire des pôles du stator et supérieure à la moitié de celle-ci, décalées en éventail en sorte que leur ensemble ait la même ouverture angulaire que les pôles du stator ou une ouverture angulaire légè rement inférieure, d'où il résulte que la densité moyenne de matériau magnétique est maximum au voisinage de l'axe d'une dent, où elle correspond à la somme des épaisseurs des tôles constituant la dent pour une épaisseur donnée de diélectrique, par exem ple d'air,
et décroit par échelons vers les extrémités de la dent où elle est minimum.
Cette disposition qui permet de faire varier la force électromotrice induite dans les bobinages sta- toriques suivant une loi donnée et en particulier selon une loi sinusoïdale, est utilisable non seulement pour la construction d'alternateurs et de moteurs synchrones mais également pour la réalisation de moteurs à courant continu dans lesquels une com mutation des bobinages statoriques est effectuée en synchronisme avec le mouvement du rotor.
Dans ce cas en effet, l'utilisation de dents conformes à cette disposition sur deux rotors décalés angulairement d'une demi-dent permet de régulariser le couple et d'améliorer les conditions dans lesquelles se fait la commutation synchrone.
Dans l'exemple non limitatif représenté par la fig. 3, on voit en plan et en élévation, une dent d'un rotor 40 constituée de quatre groupes<I>a, b, c, d,</I> identiques et d'axe commun, de chacun quatre tôles de fer pur telles que 41., 42a , 4%, 44,, , déca lées les unes par rapport aux autres d'une même quantité égale au cinquième de leur longueur en sorte que chaque groupe et par conséquent la dent, ont une longueur égale à huit cinquièmes de la lon gueur de chaque tôle.
Les tôles telles que 42a sont des prolongements sensiblement rectangulaires, de hauteur h, de tôles de fer pur constituant, avec des tôles circulaires 45 qui séparent les groupes<I>a, b, c, d,</I> les uns des autres et les encadrent, l'ensemble du rotor 40 dont une partie seulement est représentée.
On voit que dans l'axe de la dent, c'est-à-dire à l'endroit dont le passage sous un pôle doit donner la plus grande variation de réluctance et de flux, la densité moyenne de métal correspond sensiblement à quatre épaisseurs de tôle pour une épaisseur de cou che d'air séparant les groupes, soit environ à 4/5. Entre un et deux huitièmes de la longueur de la dent de part et d'autre de son axe, la densité moyenne de métal correspond à trois épaisseurs de tôle pour deux épaisseurs de couche d'air soit à 3/5, entre deux et trois huitièmes à 2/5 et entre trois et qua tre huitièmes à 1/5.
Cette variation de la densité moyenne de métal magnétique selon la longueur de la dent et de l'induction de saturation qui en résulte suit ainsi une loi sensiblement sinusoïdale.
La fig. 4 ne diffère de la fig. 2 que par la struc ture de détail du rotor 40 qui est celle de la fig. 3. On y voit comment une dent du rotor est constituée par les prolongements tels que 41., , 42a , 43z,, 44a, décalés en éventail de groupes de quatre tôles qui en constituent quatre éléments<I>a, b, c, d</I> encadrés et séparés par des tôles circulaires telles que 45.
Electric Variable Reluctance Machine The present invention relates to an electric variable reluctance machine, similar to that described in Swiss Patent No. 373098.
The above patent relates to an electric variable reluctance machine in which the average saturation induction of the rotor teeth is reduced to a value significantly lower than the induction required to saturate the magnetic poles of the stator and the rest. of the rotor, for example between 15 and 85 () / o of the maximum induction chosen for the rest of the magnetic circuit of the machine. It is thus possible to use relatively high magnetic fields in the main air gaps without excessive losses and thus to obtain a large specific power.
To this end, the teeth of the rotor are constituted by alternating layers of magnetic material and of non-magnetic material, for example by sheets of pure iron separated by layers of air.
In an embodiment described in said patent of an electric machine having the above characteristics, the stator comprises at least two pairs of poles, identical to each other, each pole having a given angular opening a and the space between poles successive having an angular opening b while the movable part comprises teeth whose angular opening is substantially equal to <I> to a </I> -h <I> b;
</I> In the case of such a machine with two pairs of poles used as an alternator, each pole is magnetized using at least one winding, one end of which is supplied with direct current of excitation and the the other end connected to a line traversed by the generated alternating current, the ends of two contiguous windings being connected to each other and mounted in an electrical bridge such that said direct excitation current is supplied in a diagonal of this bridge and that said alternating current is transported in the other diagonal of said bridge.
It follows from these provisions that the variations in flux produced in two consecutive poles by the displacement of a tooth of the movable part with respect to said consecutive poles are at all times equal in absolute value and in opposite directions and that consequently on the one hand, the voltage induced at the two ends of the diagonal of the bridge which supplies the excitation current of the alternator being always substantially the same, it circulates in said excitation line of the alternator only a weak parasitic alternating current, on the other hand the alternating voltages induced at both ends of the other diagonal of the bridge varying constantly in the opposite direction,
the whole of the mechanical energy supplied to the rotor of the alternator is theoretically transformed into useful electric current, after deduction of the normal losses in the sheets and the conductors.
However, it appeared that in this embodiment, the separation of the magnetic circuits of the two pairs of poles can only be achieved imperfectly and, therefore, the above theoretical conditions cannot be achieved with a sufficient precision to obtain the optimum efficiency of the machine.
An object of the present invention is to allow the production of an electric machine in accordance with the principles of the patent already mentioned, but of higher efficiency and capable of more extensive applications than the machines in accordance with the embodiment recalled above.
The machine according to the invention comprises a stator having at least two pairs of poles and a rotor having at least two pairs of teeth formed by thin sheets of iron separated from each other by spaces containing a dielectric material, and is characterized by that the rotor is divided perpendicularly to its axis into two integral half-rotors each of which carries at least one pair of teeth and in that the stator is divided into two half-stators each of which corresponds to a half-rotor and comprises the minus one pair of poles facing the corresponding half-rotor.
An advantage of such an electric machine with two pairs of poles used as an alternator, in which the points common to the windings of each pair of poles are respectively connected to the terminals of a source of direct current of excitation and the generated alternating voltage is taken between the points common to the other ends of said windings, in accordance with said patent, is that the current taken from the alternating circuit is limited to the current supplied by the excitation source due to the demagnetizing ampere-turns of the alternating current of output, which, when the utility line is short-circuited,
become equal to the magnetizing ampere-turns of the excitation circuit, thus avoiding any possibility of overloading the alternator.
A particular advantage of such an alternator is its ease of regulation, a small variation in the excitation current being able to produce a large variation in power. In particular in the case where a part of the excitation current is proportional to the output current, it suffices to act on a low make-up current to obtain effective regulation.
Another advantage of the electric machine according to the invention is that, in order to make it operate as a motor of the type called K univer sel motor 5>, it suffices to connect its excitation windings in series and to alternately short-circuit said windings in synchronism with the rotation of the motor, the overvoltages being considerably reduced by the inductance of the winding in series with the short-circuited winding.
An embodiment of the invention is shown, by way of example, in the accompanying drawings in which: FIG. 1 schematically shows in axial section a four-pole electric machine mounted as an alternator; fig. 2 is a perspective view of the electric machine of FIG. 1 which has been cut along line I-I of FIG. 1 and of which a quarter of the stator has been removed to show the rotor;
fig. 3 schematically shows the arrangement of a tooth of the rotor of a machine according to another form of the invention, and FIG. 4 is a perspective view similar to FIG. 2 in which the teeth of the rotor are formed in accordance with the arrangement of FIG. 3.
We see in fig. 1 and 2 the stator 31 of an alternator of the variable reluctance type. It is composed of a stack of magnetic sheets 32 and has four identical poles <B> 33, </B> 33b, 33,, 33.1, the angular opening of which is -c / 2. The poles <B> 33, </B> 33,1 are aligned, as are the poles 33b, 33, which respectively face them so that the magnetic sheets 32 can be formed by grain-oriented sheets which allows to increase the mass power of the machine.
Each pole carries a winding 341, 34b, 34 ,,, 34.1 the four windings being identical and dimensioned to accept both the excitation current of this alternator and the alternating current which it generates.
The moving part or rotor is made up of two parts or half-rotors 381, 3 & mounted on the same shaft 39. Each of the half-rotors 381, <B> 382 </B> is constituted, in accordance with said patent, by a stacking of magnetic sheets 281 and 30a, the sheets 281 having on two sectors approximately a / 2 diametrically opposed a diameter greater than that of the sheets 301, so that air spaces 2% separate the parts of the sheets 28 ;,. that spill over 30 "leaves.
These projecting parts of the sheets <B> 28, </B> being aligned on each half-rotor constitute the teeth 40;, 1 and 40b1 of the half-rotor 381 and the teeth 40a2 and 40b of the half-rotor 382. The teeth 40a1, 40b1 of the half-rotor 381 are offset by ir / 2 with respect to the teeth 40, ,, 40b2 of the half-rotor <B> 382. </B>
It follows from this arrangement that the sum of the angular openings of the tooth fractions 40a1, 40a; on the one hand, <U> 40, </U> 2 40 ,,, on the other hand engaged under a pole is constant and equal to yr / 2. During the rotation of the rotor, the variations of the magnetic flux produced in the poles 33,1 and 33a are thus at all times equal in absolute value and in opposite directions, as are the variations of flux produced simultaneously in the poles 33 ,
and 33b. Consequently, the electromotive forces induced by these variations in flux in the windings 34a, 34b on the one hand and 34 ,, 34.1 on the other hand are at all times equal and in opposite directions.
When performing an I.J.K.L. as shown in fig. 1, where the windings 34,, 34b are connected in parallel to one terminal of an excitation source 37 and respectively in series with the windings 34, 34,1 themselves connected in parallel to the other terminal of the source 37, and where the power line of the alternator is established between the points L and J common to the windings 34a and 34,1 on the one hand, 341, and 34 ,, on the other hand,
we see that the tensions induced at the ends of the diagonal I.K. being always equal and of the same sign, no alternating current is sent in the excitation line, while the voltages induced at the ends of the diagonal JL being equal and in phase opposition, the totality of the mechanical energy supplied rotor 38 is transferred to the power line in the form of alternating current, with the exception of normal losses in the sheets and in the conductors.
This result which is subject to the condition that the teeth of the rotor 38 are saturated, the other parts of the alternator not being saturated, is favored by the separation between the magnetic circuits of the poles which must undergo flux variations of opposite directions.
Figs. 3 and 4 show another embodiment of the teeth of a machine according to FIGS. 1 and 2. In this embodiment, the teeth are formed so that their average density of magnetic metal decreases on either side of their axis according to a substantially sinusoidal law.
It will in fact be noted that in the embodiment represented by FIGS. 1 and 2, the teeth of the moving part have constant magnetic characteristics throughout their development so that, for example, when such a machine is used as an alternator, the teeth of the rotor having, like the poles of the stator under which they moves one hundred, a substantially parallelepipedal shape,
the increase in magnetic flux during the introduction of a tooth under a pole and the decrease in magnetic flux during the exit of the tooth from under the pole are constant and proportional to the angular displacement of the rotor, from which it results that the electromotive forces generated in the stator windings by the passage of a tooth under a pole successively take two opposite and substantially constant values, at least under no-load or low load operation.
The signal produced under these conditions by such an alternator therefore has an approximately rectangular shape, which can be a drawback for the supply of certain user networks as well as in the case where such machines are used as synchronous motors supplied by a network providing a sinusoidal current.
In the particular embodiment corresponding to FIGS. 3 and 4, each tooth of the rotor is formed by sheets of substantially rec-tangular profile, angular opening less than the angular opening of the poles of the stator and greater than half of the latter, offset in a fan manner so that their whole has the same angular opening as the poles of the stator or a slightly smaller angular opening, from which it follows that the average density of magnetic material is maximum in the vicinity of the axis of a tooth, where it corresponds to the sum of the thicknesses of the sheets constituting the tooth for a given thickness of dielectric, for example air,
and decreases in steps towards the ends of the tooth where it is minimum.
This arrangement, which makes it possible to vary the electromotive force induced in the static windings according to a given law and in particular according to a sinusoidal law, can be used not only for the construction of alternators and synchronous motors but also for the production of motors. direct current in which a switching of the stator windings is carried out in synchronism with the movement of the rotor.
In this case, in fact, the use of teeth conforming to this arrangement on two rotors angularly offset by half a tooth makes it possible to regulate the torque and to improve the conditions under which synchronous switching takes place.
In the nonlimiting example represented by FIG. 3, one sees in plan and in elevation, a tooth of a rotor 40 made up of four identical groups <I> a, b, c, d, </I> and of common axis, each of four sheets of pure iron such as 41., 42a, 4%, 44 ,,, offset with respect to each other by the same amount equal to a fifth of their length so that each group and therefore the tooth, have a length equal to eight fifths of the length of each sheet.
The sheets such as 42a are substantially rectangular extensions, of height h, of sheets of pure iron constituting, with circular sheets 45 which separate the groups <I> a, b, c, d, </I> from each other and surround them, the whole of the rotor 40 of which only a part is shown.
We see that in the axis of the tooth, that is to say at the place whose passage under a pole must give the greatest variation in reluctance and flux, the average density of metal corresponds approximately to four thicknesses of sheet metal for a thickness of the air layer separating the groups, ie approximately 4/5. Between one and two eighths of the length of the tooth on either side of its axis, the average metal density corresponds to three sheet thicknesses for two air layer thicknesses, i.e. 3/5, between two and three eighths at 2/5 and between three and four eighths at 1/5.
This variation in the average density of magnetic metal according to the length of the tooth and in the resulting saturation induction thus follows a substantially sinusoidal law.
Fig. 4 does not differ from FIG. 2 than by the detail structure of the rotor 40 which is that of FIG. 3. We can see how a tooth of the rotor is formed by the extensions such as 41.,, 42a, 43z ,, 44a, staggered in a fan pattern of groups of four sheets which constitute four elements <I> a, b, c, d </I> framed and separated by circular plates such as 45.