Moteur électrique amélioré. L'invention a pour domaine celui des moteurs électriques du type comportant : un carter sensiblement cylindrique selon un axe principal, comportant une paroi latérale et des parois d'extrémité disposées sensiblement transversalement à l'axe principal, un ensemble rotor - stator, le stator étant solidaire de la paroi latérale du carter ; un arbre de sortie, solidaire du rotor et s'étendant, à travers chaque paroi d'extrémité du carter, d'un côté à l'autre du carter ; et deux paliers, montés sur les parois d'extrémité pour maintenir l'arbre libre en rotation autour de l'axe principal.
Les paliers des moteurs électriques, synchrones ou asynchrones, sont soumis à une usure due à la circulation de courants parasites. Ces courants parasites sont générés soit lorsque le circuit magnétique du moteur présente des dissymétries, soit lorsque le moteur est alimenté par des onduleurs.
Dans le premier cas, les courants parasites circulant à travers les paliers sont du type basse fréquence, de l'ordre de quelques kHz. Dans le deuxième cas, les courants parasites circulant à travers les paliers sont du type haute fréquence, de l'ordre de 100 kHz à quelques MHz. Ils ont pour cause un courant de mode commun circulant, par fuite à travers les isolations de bobinage, entre les bobinages du stator et le carter métallique du moteur. En effet, ces isolations de bobinage ont un comportement capacitif qui se traduit par une impédance dont le module diminue rapidement lorsque la fréquence augmente. Les effets de ce comportement capacitif sont importants et préjudiciables lorsque la fréquence dépasse les quelques MHz. Or, ce niveau de fréquence est effectivement atteint, car les onduleurs sollicitent les bobinages du moteur avec des fronts de montée en tension importants, typiquement de l'ordre de 10 kV/ s. On peut distinguer deux types de courants parasites haute fréquence : les courants de couplage capacitif et les courants de couplage inductif. Selon la loi de Lenz, les courants de couplage inductif sont induits, en réaction, par la circulation des courants de couplage capacitif. Les courants de couplage capacitif ont des intensités qui atteignent généralement environ 3 A, alors que les courants de couplage inductif ont des intensités qui augmentent en fonction de la taille du moteur et qui peuvent atteindre environ 20 A. L'intensité des courants parasites circulant dans les paliers d'un moteur de grande taille sera plus importante que celle des courants parasites circulant dans les paliers d'un moteur de petite taille. Il est donc nécessaire de mettre en oeuvre des solutions de protection des paliers dans les moteurs de grande taille. Cependant, les paliers de petite taille ont une surface de contact plus faible que celle des paliers de grande taille. De ce fait, à intensité égale des courants parasites, un palier de petite taille se dégradera plus rapidement qu'un palier de grande taille. Il est donc également nécessaire de mettre en oeuvre des solutions de protection des paliers dans les moteurs de petite taille. La mise en oeuvre de solutions de protection des paliers vis-à-vis du passage des courants parasites est primordiale pour garantir aux paliers une durée de vie acceptable. Pour réduire la sollicitation électrique, il est important de limiter, voire d'éliminer, les courants parasites circulant dans les paliers. Pour ce faire, plusieurs solutions ont été développées ou proposées. Elles se distinguent par leur domaine d'action en fréquence et par leur mise en oeuvre, soit au niveau du moteur, soit au niveau du système d'alimentation de celui-ci. Pour les courants parasites basse fréquence, les solutions généralement utilisées consistent à utiliser des paliers isolés ou un système de balais de masse, de manière à éviter le passage du courant parasite dans les paliers. Ces solutions n'éliminent pas les courants haute fréquence à cause du comportement capacitif de l'isolation des paliers et du comportement inductif des balais de masse. Pour les courants haute fréquence, il existe également des solutions de réduction des courants parasites : - au niveau de l'alimentation, des solutions permettent d'agir sur les courants haute fréquence en atténuant les courants source, à savoir les courants de couplage capacitif : installation de filtres actifs entre le moteur et le ou les onduleurs, installation de ferrite autour des câbles d'alimentation, etc. L'installation de filtres actifs constitue une solution efficace conduisant à la réduction du niveau des courants de couplage inductif haute fréquence. Mais, pour les moteurs de grande taille, cette solution est complexe et coûteuse. De plus, elle est encombrante, car les filtres placés sur les circuits de puissance doivent être dimensionnés en fonction des courants qui les traversent. Par conséquent, elle est généralement difficile à mettre en oeuvre pour des applications ferroviaires de traction électrique ; - au niveau du moteur, un écran électrostatique placé dans l'entrefer élimine les courants de couplage capacitif mais n'a aucune action directe sur les courants de couplage inductif. Une autre solution permettant d'annuler les courants de couplage inductif consiste à prévoir un bobinage en deux parties parfaitement symétriques, alimentées de manière parfaitement identique entre elles. Cette solution agit au niveau du bobinage du moteur, et concerne plus particulièrement les moteurs de traction de grande dimension. Elle reste cependant très complexe à réaliser et son efficacité est très sensible à la qualité de sa mise en oeuvre pratique. Elle est d'un coût élevé. L'invention a donc pour but de proposer une solution alternative permettant de réduire les courants de couplage inductif haute fréquence circulant dans les paliers à roulement des moteurs électriques, et qui soit d'une mise en oeuvre aisée surtout pour les moteurs de grande taille. Pour cela, l'invention a pour objet un moteur électrique du type précité comportant au moins un moyen propre à réduire les courants de couplage inductif haute fréquence circulant dans les paliers, ce moyen comportant au moins un circuit magnétique fermé réalisé en un matériau magnétique adapté et logé, de manière à entourer l'arbre, à l'intérieur du carter, dans un espace annulaire entourant l'arbre et délimité axialement par l'ensemble rotor - stator et ladite au moins une paroi d'extrémité. Suivant des modes particuliers de réalisation, le moteur électrique comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit circuit magnétique fermé est constitué par un tore ; - ledit tore est un tore en ferrite, en nanocristallin ou en un matériau amorphe ; - ledit tore est placé au contact d'une surface d'un élément de structure pris parmi le rotor, le stator et l'une des parois d'extrémité ; - le moteur comporte un bobinage entourant une section dudit tore et permettant de mesurer une grandeur relative à l'intensité du courant circulant dans lesdits paliers ; - ledit moyen propre à réduire les courants de couplage inductif haute fréquence comporte un moyen de mesure d'une grandeur relative à l'intensité du courant circulant dans lesdits paliers, ledit circuit magnétique fermé est un tore bobiné comportant un noyau annulaire et un bobinage entourant ledit noyau, et ledit au moins un moyen propre à réduire les courants de couplage inductif haute fréquence comporte également un dispositif d'asservissement en courant apte à faire circuler dans le bobinage dudit tore bobiné un courant électrique adapté en fonction de ladite grandeur mesurée ; - le tore bobiné est du type Rogowski, le bobinage entourant totalement le noyau; - le tore bobiné comporte un noyau en ferrite, le bobinage du tore bobiné n'entourant le noyau que partiellement ; - ledit moyen de mesure de l'intensité du courant circulant dans lesdits paliers comporte un anneau en un matériau magnétique disposé autour de l'arbre, à l'intérieur du carter, et un bobinage entourant une section de l'anneau, la tension aux bornes dudit bobinage permettant de mesurer une grandeur relative à l'intensité du courant circulant dans lesdits paliers ; et - le moteur comporte plusieurs moyens propres à réduire les courants de couplage inductif haute fréquence circulant dans lesdits paliers.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en coupe axiale, d'un moteur électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un schéma électrique équivalent relatif à la circulation des courants de couplage inductif à l'intérieur du moteur électrique de la figure 1 ; - la figure 3 représente une coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 1; - la figure 4 est une représentation en coupe axiale d'un moteur électrique selon un second mode de réalisation de l'invention ; et, - la figure 5 est une représentation en coupe axiale d'une variante de réalisation du moteur électrique de la figure 4.
De manière générale, l'invention permet de réduire les courants de couplage inductif en augmentant l'impédance le long du chemin de circulation des courants de couplage capacitif qui, à haute fréquence, circulent en surface des éléments constitutifs du moteur.
Pour ce faire, l'invention prévoit de disposer, à l'intérieur du carter du moteur électrique, au moins une pièce supplémentaire formant un circuit fermé en un matériau magnétique adapté. Dans un premier mode de réalisation, dit passif, du moteur électrique, la pièce supplémentaire est un tore de ferrite.
En se référant à la figure 1, un moteur électrique 2 comporte un stator 4 et un rotor 6 disposés coaxialement le long d'un axe principal A. Le stator 4 est tubulaire et le rotor 6 est logé à l'intérieur du stator 4. Un entrefer 5 est ménagé entre le rotor 6 et le stator 4. Le stator 4 et le rotor 6 sont logés à l'intérieur d'un carter 8 de forme sensiblement cylindrique le long de l'axe A. Le carter 8 comporte une paroi latérale 9 s'étendant axialement et des parois d'extrémité, respectivement à droite et à gauche sur la figure 1, qui s'étendent radialement. Les parois d'extrémité sont constituées par des flasques respectivement droit 10 et gauche 10'. Le stator 4 est solidaire de la surface intérieure de la paroi latérale 9 du carter 8. Le moteur 2 comporte également un arbre 12 d'axe A, qui est solidaire du rotor 6. L'arbre 12 s'étend, de part et d'autre du rotor 6, depuis l'intérieur vers l'extérieur du carter 8 et fait saillie au-delà des flasques 10 et 10'. Pour maintenir l'arbre 12 et le rotor 6 tout en leur autorisant un degré de liberté en rotation autour de l'axe principal A, des paliers à roulement, respectivement droit 14 et gauche 14', sont prévus sur chaque flasque 10 et 10'. Ils réalisent la liaison entre l'arbre 12 et les flasques 10 et 10' du carter 8. A l'intérieur du carter 8, de part et d'autre de l'ensemble formé du rotor 6 et du stator 4, le moteur 2 comporte deux espaces annulaires, respectivement référencés 16, du côté droit du moteur 2, et 16', du côté gauche du moteur 2. L'espace 16 est délimité axialement entre, d'une part, l'ensemble formé par le rotor 6 et le stator 4 et, d'autre part, la surface intérieure du flasque droit 10 du carter 8 ; et radialement entre, d'une part, l'arbre 12 et, d'autre part, la surface intérieure de la paroi latérale 9 du carter 8. Une description similaire pourrait être faite pour l'espace annulaire 16'. L'entrefer 5 et les deux espaces annulaires 16 et 16' contiennent de l'air. Les différents bobinages constituant le stator 4 sont alimentés en puissance électrique par des moyens d'alimentation (non représentés sur les figures). Le courant d'alimentation du stator 4 est adapté pour mettre en rotation le rotor 6 autour de l'axe principal A. Sur la figure 1, on a représenté par un trait mixte épais des chemins élémentaires suivis par les courants de couplage inductif haute fréquence. Ces courants circulent essentiellement sur les surfaces des éléments qui délimitent l'entrefer 5 et les espaces annulaires 16 et 16', et forment des boucles élémentaires B, fermées et orientées, par exemple, comme l'indiquent les flèches de la figure 1. Pour réduire l'intensité des courants de couplage inductif circulant dans les paliers 14 et 14', le moteur 2 comporte au moins un tore de ferrite placé dans l'un ou l'autre des espaces annulaires 16 et 16'. Le tore de ferrite entoure l'arbre 12. De préférence, l'axe du tore de ferrite coïncide avec l'axe principal. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le moteur 2 comporte un tore de ferrite 20 dans l'espace 16 situé du côté droit, et un tore de ferrite 20' dans l'espace 16' situé du côté gauche. Ces tores de ferrite 20 et 20' sont respectivement fixés sur les surfaces radiales du rotor 6, par des moyens adaptés, par exemple, par collage ou vissage, pour résister aux contraintes mécaniques auxquelles ils sont soumis lors du fonctionnement du moteur. La figure 2 représente un circuit électrique équivalent en ce qui concerne la circulation des courants de couplage inductif haute fréquence à l'intérieur du moteur électrique 2 de la figure 1. La source de tension Vb est liée aux flux magnétiques, à travers les boucles élémentaires B, des courants de couplage capacitif en mode commun. Le courant de couplage inductif circulant dans les paliers de roulement 14 et 14' est noté ib. Les impédances Z des éléments constitutifs du moteur 2 à la surface desquels se propagent les courants de couplage inductif sont représentées comme montées en série. On notera que l'air présent dans l'entrefer 5 et les espaces annulaires 16 et 16' présente une impédance, qui se réduit à une inductance Laar à haute fréquence. De manière similaire, l'impédance Z14 des paliers à roulement droit 14 et gauche 14' est essentiellement résistive, à haute fréquence, et est représentée par la résistance R14. Le courant ib circulant dans les paliers 14 et 14' passe également à travers l'impédance Z20 créée par les tores de ferrite droit 20 et gauche 20'. A haute fréquence, l'impédance Z20 présente une partie inductive importante, en plus d'une partie résistive. L'ajout de l'impédance Z20 permet de réduire l'intensité ib des courants de couplage inductif circulant dans les paliers 14 et 14'. Sans être tenu par une modélisation physique particulière du phénomène mis en jeu, le flux du courant à travers une surface fermée s'appuyant sur le contour fermé du tore de ferrite 20, respectivement 20', c'est-à-dire le courant de couplage inductif ib circulant à la surface de l'arbre 12, génère un champ magnétique dans l'espace annulaire 16. Ce champ magnétique génère une aimantation du tore de ferrite 20. Celle-ci influence en retour un courant de réaction le long de l'arbre 12. Comme le prévoit la loi de Lenz, ce courant de réaction s'oppose au courant source qui lui a donné naissance, en l'occurrence le courant de couplage inductif ib. La superposition du courant source et du courant de réaction réduit le niveau global du courant circulant dans les paliers à roulement 14 et 14'. Une autre façon de modéliser les mécanismes électromagnétiques mis en oeuvre consiste à considérer qu'en plaçant des tores de ferrite à l'intérieur du moteur, on augmente artificiellement l'inductance superficielle des masses ferromagnétiques avoisinantes, et, par conséquent, leur impédance Z à haute fréquence. En agissant à l'intérieur du moteur 2, à proximité de la source des courants parasites, on réduit le dimensionnement du tore de ferrite permettant de réduire les courants parasites. En effet, cette pièce supplémentaire n'est pas traversée par des courants de puissance alimentant le stator. Dans une première variante de ce premier mode de réalisation, le tore ou les tores de ferrite 20 et 20' sont fixés sur l'un ou chacun des flasques 10 et 10' du carter 8. Dans encore une autre variante, le moteur comporte, dans un même espace annulaire 16 ou 16', à la fois un tore de ferrite sur le rotor 6 et un tore de ferrite sur le flasque 10 ou 10' situé en vis-à-vis. L'homme du métier disposera autant de tores de ferrite qu'il l'estime nécessaire, à condition que les courants de couplage inductif à réduire génèrent un flux à travers une surface prenant appui sur le contour fermé du tore. En choisissant la nature de la ferrite utilisée, et en particulier ses caractéristiques magnétiques à haute fréquence, et les dimensions des tores de ferrite, la réduction de l'intensité des courants de couplage inductif peut être modulée. On peut obtenir des réductions significatives de l'intensité des courants parasites. En particulier, on choisira des ferrites présentant une perméabilité magnétique importante à haute fréquence, ce qui se traduit par une impédance équivalente ayant une inductance élevée.
L'homme du métier comprendra que le circuit magnétique fermé peut prendre d'autres formes que celle d'un tore. Par exemple, un circuit en double U pourrait remplir la même fonction que celle d'un tore. Le matériau magnétique utilisé peut être autre chose que de la ferrite, par exemple, un matériau nanocristallin ou un matériau amorphe, tel qu'un matériau amorphe à base de fer ou de cobalt. D'une manière générale, le matériau magnétique utilisé présente un module de perméabilité relative supérieur à 100 et garde un comportement inductif dominant dans une large gamme de fréquence, typiquement entre 1 kHz et 10 MHz. Ce comportement inductif correspond à l'aptitude du matériau à empêcher le développement de courants induits dans le volume. Avantageusement, comme cela est représenté en coupe transversale sur la figure 3, le moteur 2 comporte, en outre, un bobinage 22 secondaire formant plusieurs spires autour d'une section du tore en ferrite 20. La différence de potentiel aux bornes du bobinage secondaire 22 générée par le flux du champ magnétique présent dans le tore de ferrite constitue une mesure d'une grandeur qui dépend de l'intensité du courant de couplage inductif ib traversant le tore de ferrite 20. Cette mesure donne une information sur le niveau des courants traversant les paliers à roulement 14 et 14' à un instant donné de l'utilisation du moteur.
En intégrant ces informations tout au long de l'utilisation du moteur électrique, il est possible d'évaluer un degré de dégradation des paliers. Ceci peut par exemple être réalisé au moyen de courbes de calibration. Il s'agit donc d'un moyen simple de déterminer le vieillissement des paliers et de décider du moment de leur remplacement. L'homme du métier constatera que les tores de ferrite utilisés dans ce premier mode de réalisation passif ne nécessitent aucune maintenance particulière. Alors que le premier mode de réalisation des figures 1 à 3 est un mode passif qui ne nécessite aucun apport d'énergie extérieure pour fonctionner et réduire l'intensité des courants de couplage inductif, le second mode de réalisation, qui va maintenant être décrit en référence aux figures 4 et 5, est un mode actif. Les références utilisées sur la figure 4 ou la figure 5 sont identiques aux références des figures 1 à 3 lorsqu'elles désignent des éléments de structure identiques et sont augmentées d'une ou de plusieurs centaines lorsqu'elles désignent des éléments équivalents. Le moteur 102 représenté sur la figure 4 comporte un moyen adapté pour réduire les courants de couplage inductif haute fréquence. Ce moyen comporte un moyen de mesure d'une grandeur relative à l'intensité du courant circulant dans les paliers à roulement 14 et 14', un tore bobiné 220', et un dispositif d'asservissement en courant 50 apte à appliquer au tore bobiné 220' un courant électrique adapté en fonction de la grandeur mesurée par les moyens de mesure.
Plus précisément, le dispositif 50 est connecté, en entrée, à une source de puissance électrique (non représentée) et à un moyen de mesure 120 de l'intensité du courant circulant dans les paliers 14 et 14'. Ce moyen de mesure 120 comporte un bobinage secondaire 122 enroulé autour d'un anneau de ferrite 121 formant noyau. L'anneau de ferrite 121, bien que participant de manière passive à la réduction des courants parasites, a essentiellement pour fonction, dans ce mode de réalisation actif, de permettre une mesure de l'intensité des courants circulant dans les paliers 14 et 14'. Le dispositif 50 est connecté, en sortie, aux bornes d'un tore bobiné 220'. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le tore bobiné 220' comporte un bobinage secondaire 222' enroulée autour d'un tore de ferrite 221' formant noyau. Le dispositif 50, connecté aux bornes du bobinage secondaire 222', génère un courant électrique adapté en fonction de la mesure effectuée grâce au moyen de mesure 120. Le courant injecté dans le bobinage secondaire 222' produit une magnétisation du tore de ferrite 221' qui induit, à son tour, un courant de réaction dans l'arbre 12. Le dispositif 50 adapte les caractéristiques du courant injecté dans le bobinage 222' pour produire un courant de réaction qui s'oppose aux courants de couplage inductif, de manière à réduire le courant total circulant dans les paliers à roulement 14 et 14'. L'homme du métier constatera que l'on a, dans ce second mode de réalisation, une boucle de régulation des courants circulant dans les paliers 14 et 14'. On notera que dans le mode de réalisation de la figure 4, le tore bobiné 221' est fixé contre le flasque 10', alors que l'anneau de ferrite 121 est fixé contre le flasque 10. Dans une variante de ce second mode de réalisation actif, variante représentée sur la figure 5, le tore bobiné est un tore bobiné du type Rogowski 320. Un tore bobiné du type Rogowski comporte un tore 321 en un matériau amagnétique, formant noyau, et un bobinage 322 entourant intégralement le tore 321. Le tore bobiné du type Rogowski 320 est maintenu dans l'espace annulaire 16. Dans cette variante, le dispositif d'asservissement en courant 50 est connecté, en sortie, aux bornes du tore bobiné du type Rogowski 320. Les caractéristiques du courant injecté dans le tore bobiné du type Rogowski 320 sont adaptées pour induire un courant de réaction conduisant à la réduction du courant total circulant dans les paliers à roulement 14 et 14'. L'adaptation du courant injecté est réalisée par le dispositif 50 en fonction de la mesure réalisée par le moyen de mesure 120. Dans une autre variante, l'anneau de ferrite servant à la mesure de l'intensité du courant est remplacé par un dispositif du type Rogowski, l'autre tore 320 pouvant être soit magnétique soit du type Rogowski.