1. État de l'art antérieur

La présente invention concerne une machine électrique tournante à structure homopolaire comportant un stator et un rotor tournant autour d'un même axe de rotation que le stator, logés dans une carcasse, au moins le stator ou le rotor étant constitué d'au moins une bobine électrique de forme annulaire portée par une culasse annulaire magnétique comportant au moins deux pôles décalés angulairement à égale distance l'un de l'autre, ces pôles étant constitués par des pattes solidaires de ladite culasse annulaire et repliées parallèlement audit axe.

La structure et le fonctionnement d'une machine électrique de ce type, telle qu'une machine tournante électrique, sont décrits dans les brevets FR 00/ 06298 et BR 18083/FR (inventeur François Bernot).

La figure 1 présente l'état de l'art antérieur pour cette structure homopolaire, dans une version octopolaire, à stator à griffes triphasé et rotor à aimants superficiels. Une autre version peut comporter un rotor à aimants enterrés. Une autre version peut comporter un stator polyphasé, le nombre de phase étant quelconque (supérieur ou égal à l'unité). Une autre version peut comporter un rotor externe inversé.

La réalisation de la figure 1 comporte trois stators identiques, qui seront notés dans ce document phases lorsqu'ils sont complets avec leur bobine (c4, c5 ou c6). Lesdits stators sont numérotés (c1), (c2) et (c3). Ces galettes sont déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle de 30° mécanique environ. Dans le cas de la réalisation présentée à la figure 1 , l'angle (c10) vaut sensiblement 30° et l'angle (c11) vaut sensibl ement 60° L'angle (c10) correspond sensiblement au tiers de l'angle électrique de la machine tournante, ledit angle électrique étant égal à 360° (un tour) divisé par le nombre de paires de pôles (quatre dans ce cas octopolaire). L'angle (c11) vaut sensiblement le double de l'angle (c10). Ces décalages angulaires peuvent être différents, en fonction des applications, mais ces variations relèvent de l'état de l'art antérieur connu, appliqué à d'autres structures de machines tournantes notamment. Elles ne servent qu'à optimiser la machine finale. Une version diphasée de ladite machine ne comporterait que deux stators (c1) et (c2), qui seraient alors décalés d'un angle (c10)=45° dans la réalisation octopolaire décrite à la figure 1. Les règles de calcul des décalages angulaires entre phase ou stators respectifs font partie de l'état de l'art antérieur.

Dans la réalisation de la figure 1 , les stators (c1), (c2) et (c3) ont une structure à griffe, qui est caractérisée par une ondulation apparente des bobines statoriques, notées respectivement (c4), (c5) et (c6) autour des plans de rotation X/Y (c12) de chaque stator. Ladite ondulation peut être obtenue par vrillage des dents statoriques, comme le propose le brevet BR 18075/FR, ou encore par encerclement des bobines (c4), (c5) et (c6) comme le propose le brevet BR 18083/FR.

Dans cette dernière réalisation astucieuse, présentée à la figure 2 pour un nombre de pôles égal à 28, les stators (c1), (c2) et (c3) sont tous réalisés de la même façon, à partir de deux galettes identiques (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). Lesdites galettes sont assemblées l'une sur l'autre, conformément au brevet BR 18083/FR, de façon à ce que leurs dents respectives (b4) et (b5) soient sensiblement équidistantes. La galette (b1) est posée sur la galette (b2), comme l'indique la flèche (b7). Les zones de contact (b30) entre les galettes (b1) et (b2) doivent être correctement réalisées, afin d'éviter les entrefers magnétiques indésirables dans la zone de contact.

La formes de cette zone de contact (b30) peut ne pas être constituée d'un plan coplanaire selon X/Y (c12), mais adopter toute autre forme comme une ondulation ou encore un crénelage, qui autoriserait le calage angulaire relatif desdites galettes (b1) et (b2). La galette (b2) est décalée angulairement par rapport à la galette (b1). Ledit angle de calage (b6) vaut dans le cas du stator de la figure 2 sensiblement la moitié de l'angle électrique de la machine, c'est à dire pour cette polarité de 14 paires de pôles présentée à la figure 2, la valeur : 12,857°

II est important de noter que les réalisations des figures 1 et 2 considèrent que chaque dent (b4) et (b5) forme un pôle électrique complet de la machine. Nous sommes par conséquent en présence dans la figure 1 d'un assemblage de machines électriques tournantes monophasées, réunies axialement autour d'un même rotor (c7). Ledit rotor peut être de plusieurs natures, synchrone, asynchrone ou à réluctance variable. Les différentes réalisations connues à ce jour des rotors font partie de l'état de l'art antérieur, elles s'adaptent toutes à la présence d'un ensemble de stators à griffes, tel que décrit à la figure 1.

Nous nommerons dans la suite de ce document les stators (c1), (c2) et (c3) sous le nom de «phase», afin d'en clarifier le rôle, le rotor est commun aux trois phases.. Dans toute la description qui suit, nous considérerons donc comme formant une phase complète l'ensemble formé par deux galettes (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). La figure 3 reprend de façon plus synthétique cette proposition, en présentant ces deux galettes (d1) pour (b1), et (d2) pour (b2), qui sont réunies l'une contre l'autre selon la direction (d3), pour former une seule phase (d4), telle que décrite ci-dessus correspondant à la réunion de deux galettes (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). Il faut noter à ce stade la description de l'état de l'art, l'intérêt de prévoir un moyen de maintien axial des galettes (b1) et (b2) l'une sur l'autre, qui peut consister par exemple en une rondelle élastique de serrage, montée en un endroit quelconque de l'axe de rotation du plan XY (c12).

Toutes ces descriptions des figures 1 et 2 font partie de l'état de l'art antérieur. Elles incluent la version à stator inversé, où les dents (b4) et (b5) des galettes (b1) et (b2) sont situées sur la périphérie extérieure, avec un rotor qui est situé extérieurement au stator.

L'état de l'art antérieur fait apparaître clairement l'interchangeabilité des différents éléments d'une machine tournante électrique, notamment leur position relative interne ou externe, comme le présente la figure 4. La phase (d4), constituée de deux galettes (d1) et (d2) peut être située à l'extérieur d'une pièce (e2), pour former alors une machine tournante homopolaire monophasée (e4). La phase (d4), constituée de deux galettes (d1) et (d2) peut être située à l'intérieur d'une pièce (e3), pour former alors une machine tournante homopolaire monophasée (e5). La juxtaposition axiale des ces machines complètes (e4) ou (e5), décalées angulairement d'un angle adéquat, tel que connu de l'état de l'art explicité ci-dessus, forme une machine tournante polyphasée.

Dans cette présentation de la figure 4, les pièces (d4), (e2) et (e3) peuvent être statiques ou tournantes. Si une pièce (d4) est tournante, il faut alors l'alimenter par des bagues ou tout autre système (diodes tournantes par exemple).

La combinaison (d4) statique et (e2) à aimants tournants (ou inducteur bobiné), correspond à une machine (e4) formant une machine dite synchrone.

La phase (d4) est alors alimentée en courant alternatif et selon les procédés de contrôle dits brushless connus de l'homme de l'art.

La combinaison (d4) statique et (e3) à aimants tournants (ou inducteur bobiné), correspond à une machine (e5) formant une machine dite synchrone inversée. La phase (d4) est alors alimentée en courant alternatif et selon les procédés de contrôle dits brushless connus.

La combinaison (e3) statique et (d4) tournant, correspond à une machine (e5) formant un alternateur à griffes, dit de Lundell, largement utilisé dans les moteurs thermiques.

Toutes les autres combinaisons sont possibles, comme (d4) tournant et (e2) statique, ou encore (d4) tournant et (e3) statique, ou encore les deux parties (d4) et (e2) tournantes, ou encore les deux parties (d4) et (e3) tournantes.

Ces différentes combinaisons sont largement décrites dans l'état de l'art, pour les machines tournantes à structure coplanaire.

La description qui suit de l'invention, concerne la réalisation de la phase (d4), qui peut s'insérer dans les diverses configurations, que nous venons d'évoquer. Ladite phase (d4) peut être intégrée dans une machine tournante, personnalisée par des parties (e2) ou (e3). La configuration finale de la machine qui intègre ladite phase (d4) concerne toutes les variantes d'utilisation finale de l'invention qui suivent, plus celles non-mentionnées qui relèvent de l'état de l'art antérieur.

La liste suivante regroupe de façon non-exhaustive différentes variantes possibles d'applications de l'invention dans une machine électrique tournante :

• machine synchrone avec rotor à aimants ou bobiné,

• machine asynchrone avec rotor à cage ou bobiné,

· machine à réluctance variable, à rotor passif ou actif (aimanté).

La liste suivante regroupe de façon non-exhaustive différentes variantes possibles de réalisation de l'invention pour former une machine électrique tournante :

• la disposition relative des différentes parties (d4), (e2) et (e3), pour for mer une machine de type (e4) ou (e5), conduit à une machine à stator extérieur ou à stator intérieur, dite inversée,

• machine monophasée, diphasée, triphasée ou polyphasée, obtenue par empilement axial de machines élémentaires (e4) ou (e5) correctement déphasées les unes par rapport aux/ autres d'un angle électrique sensiblement égal à un tour électrique (360°divisé par le nombre de paires de pôles) divisé par le nombre de phases, ledit déphasage angulaire pouvant être créé au niveau du rotor ou du stator,

• machine polyphasée, comportant au moins une phase, où chaque phase électrique est constituée de plusieurs machines élémentaires (e4) ou (e5) électriquement connectées en série ou en parallèle électriquement

• machine polyphasée, comportant au moins une phase, où les phases (d4) sont toutes alignées angulairement et où le déphasage interphase est causé par la rotation selon le cas, soit des aimants, soit des inducteurs bobinés, soit des conducteurs de la pièce complémentaire (e2) ou (e3)

• machine polyphasée, comportant au moins une phase, où les bobines (b3) sont divisées en plusieurs enroulements distincts, eux-mêmes couplés d'une phase à l'autre en zig-zag, étoile, ou triangle pour former une machine polyphasée complète

^« l'ensemble peut former aussi un transformateur statique, où toutes les parties (d4), (e2) et (e3) étant statiques, forment un déphaseur statique.

2. Description de l'invention

La présente invention expose une réalisation particulière de cette structure de machine tournante homopolaire, qui fait intervenir des doigts de centrage inter-phases, ce qui en simplifie considérablement l'assemblage. Il faut noter que le calage angulaire entre les différentes phases est très délicat, car un léger écart conduit à une dissymétrie sur les courants électriques absorbés au stator de la machine complète (e4) ou (e5). Il faut préciser que les différentes phases (d4) doivent en principe être distantes, afin de ne pas mêler leurs flux magnétiques. Un procédé de séparation axial est donc nécessaire en plus d'un autre procédé de calage angulaire.

Notons que dans la description de l'état de l'art est mentionné un procédé de calage angulaire relatif des galettes (b1) et (b2), par ondulation ou crénelage de leur surface de contact relative (b30).

Dans la description qui suit, la présentation de l'invention est étayée par des figures :

- la figure 5 représente le principe du calage axial et angulaire par des cales (f1),

β la figure 6 représente une variante de réalisation de ces cales (f1)

• la figure 7 représente une applications concrète des cales (f7) et (f8) » la figure 8 complète la figure 7 sous une autre vue

β la figure 9 complète la figure 7 en détaillant les doigts de centrage

• la figure 10 représente une applications concrète des cales (f1) Nous avons vu dans la description de l'art antérieur que les différentes phases du stator formant la machine tournante, notées (d4) dans la figure 3, doivent être décalées les unes par rapport aux autres, d'un angle adéquat, dont le calcul fait partie de l'état de l'art antérieur exposé préalablement. Ce décalage peut être assuré par des ergots externes à chaque phase (d4), conformément au brevet BR 18083/FR. Ce décalage peut aussi être réalisé par l'invention décrite dans ce document, qui présente des interphases (f1), telles que décrites à la figure 5. Les doigts de centrage inter-phases (f1) sont situées entre les phases (d4), afin d'assurer leur décalage angulaire adéquat.

La figure 5 propose une réalisation dudit système de calage interphase. Elle utilise des doigts de centrage (f2) et (f3) disposés en quantité suffisante sur chacune des faces de (f1). Les doigts (f2) sont situés d'un côté de (f1), tandis que les doigts (f3) sont situés d'un côté du côté opposé de (f1). La quantité de doigts est liée aux différentes options possibles, telles que :

· accepter un calage angulaire diphasé et triphasé pour une même pièce

β accepter un nombre différent de calages angulaire polyphasés

• accepter une seule configuration de calage angulaire, pour un nombre de phases électriques de la machine défini

II n'est pas obligatoire de disposer autant de doigts (f2) et (f3) que les pôles électriques des pièces (d4). En général une paire de doigts (f2), plus une paire de doigts (f3) est suffisante pour assurer un calage correct. La quantité de doigts relève de l'appréciation de l'homme de l'art, en fonction de la taille de la machine et de la qualité des centrages axiaux et radiaux exigés.

La répartition des trous de réception et des doigts de calage (f2) et

(f3) peut être réalisée de façon avantageuse symétrique, afin les pièces (f1) soient réversibles, ce qui en limite la diversité. A chaque doigt (f2) ou f(3), doit correspondre un trou situé en face, soit dans la phase (d4), soit dans une pièce physique de réception additionnelle.

L'ancrage des doigts (f2) et (f3) peut être assuré de plusieurs façons, selon la liste non-exhaustive suivante :

• soit sur une pièce physique unique (f1), qui assure alors la séparation axiale et le calage angulaire entre les phases (d4), comme le présente la figure 5,

- soit sur deux pièces physiques, comme le présente figure 6, où les doigts (f2) et (f3) sont placés respectivement sur deux pièces séparées (f8) et (f7), ladite pièce (f8) possède des doigts (f2) de calage vis à vis de la phase (d4a) et des trous (f10) de calage vis à vis de (f7), ladite pièce (f7) possède des doigts (f3) de calage vis à vis de la phase (d4b) et des trous (f4) de calage vis à vis de (f8), des doigts (f5) assurent la liaison entre les pièces (f7) et (f8), ils rentrent dans les trous (f4) et (f10), notons qu'il est astucieux de coller ces pièces (f1) sur les phases (d4a) et (d4b), afin d'en simplifier l'assemblage,

* soit les doigts (f2) et (f3) font partie des phases (d4), (d4a) et/ou (d4b), lesdites phases étant aussi munies de trous permettant de recevoir les- dits doigts (f2) et (f3), qui assurent aussi par leur forme le calage axial des phases (d4).

Dans une réalisation particulière, les doigts (f2) et (f3) et les trous de réception correspondants dans les phases (d4) peuvent être issus du matériau de surmoulage des phases (d4), (d4a) et/ou (d4b). Dans une autre réalisation particulière, les doigts (f2) et (f3) et les trous de réception correspondants dans les phases (d4) peuvent être issus du matériau magnétique constituant les galettes (b1) ou (b2).

Dans une autre réalisation particulière, présentée à la figure 11 , les doigts (f2), (f3) de la pièce (f1) sont remplacés par une ondulation ou un crénelage (f20) porté sur les différentes faces en regard des pièces (f1) et (d4). Ladite ondulation ou crénelage (f20), par une complémentarité des formes portées sur les pièces (f1) et (d4), autorise un calage angulaire et radial des pièces, sans accessoires supplémentaires. Ladite ondulation ou crénelage (f20) peut être réalisée dans l'un ou l'autre des sens angulaire, axial et/ou radial, formant un motif bi-dimensionnel ou tri-dimensionnel sur les faces des pièces (f1) et (d4).

Dans une autre réalisation particulière, présentée à la figure 12, les doigts (f2) et (f3) des pièces (f8) et (f7) sont remplacés par une ondulation ou un crénelage (f21) porté sur les différentes faces en regard des pièces (f1) et (d4), les doigts (f5) et les trous(f4) des mêmes pièces (f8) et (f7) sont remplacés par une ondulation ou un crénelage (f22) porté sur les différentes faces en regard des pièces (f7) et (f8). Lesdites ondulations ou crénelages (f21) et (f22), par une complémentarité des formes portées sur les pièces (f7), (f8) et (d4), autorisent un calage angulaire et radial des phases (d4), sans accessoires supplémentaires. Lesdites ondulations ou crénelages (f21) et (f22) peuvent être réalisés dans l'un ou l'autre des sens angulaire, axial et/ou radial, formant un motif bi-dimensionnel ou tri-dimensionnel sur les faces des pièces (f7), (f8) et (d4).

L'homme de l'art saura adapter les différentes variantes possibles décrites aux figures 5 et 6, notamment en choisissant dans la liste suivante non-exhaustive :

• d'intervertir les positions respectives des trous et des doigts dans les pièces (f1), (f7) ou (f8) et dans les phases (d4),

° de concevoir tout ou partie des doigts sous la forme d'objets séparés de forme quelconque, insérés dans les pièces (f1), (f7) ou (f8),

- de concevoir un motif symétrique adapté pour les ondulations ou crénelages (f20), (f21) et (f22), afin de limiter la quantité de références de pièces de centrage (f1), (f7), f8) requises.

Il faut noter qu'il est avantageux d'utiliser des pièces de calage angulaire (fi), (f7) ou (f8) symétriques, qui soient conçues de façon à limiter la diversité des pièces utilisées pour constituer une machine.

Le calage radial des phases (d4) est assuré par la carcasse de maintien de la machine, ladite carcasse pouvant être interne ou externe à la machine tournante.

Les figures 7 et 8 présentent une réalisation astucieuse (aO) des pièces de calage angulaire (f7) et (f8) de la figure 6. Ladite pièces (aO) permet en une seule pièce de réaliser toutes les fonctions requises. La pièce (aO) est constituée d'un anneau qui reçoit au moins une paire de doigts (a8) et (a9) et au moins un groupe de trous (a5), (a6) et (a7). Lesdits trous (a5), (a6) et (a7) peuvent aussi être remplacés par des doigts, selon une proposition précédente.

Dans cette réalisation, les doigts de centrage (f2) et (f3), qui rentrent dans les phase (d4a) et (d4b) sont réalisés par les doigts (a8) et (a9). Lesdits doigts (a8) et (a9) se logent dans des orifices correspondants aménagés dans les phases (d4a) et (d4b), de préférence dans l'espace laissé entre les dents (b4) et (b5), ils réalisent alors la fonction de calage angulaire relatif des galettes (b1) et (b2). La figure 9 présente une réalisation possible des doigts (f5), décrits dans les figures 7 et 8. Lesdits doigts (f5) permettent d'assurer le calage angulaire et radial de deux pièces identiques (aO). Comme mentionné précédemment, dans une autre réalisation lesdits doigts (f5) peuvent faire partie intégrante des pièces (aO), qui seront alors réalisées en adoptant une disposition symétrique des trous (a5), (a6), (a7) et des doigts (f5).

Dans le cas d'une machine diphasée, les doigts (f5) servent à mettre en correspondance chaque trou (a6) avec un trou (a7) de la pièce (aO) correspondante. Dans le cas d'une machine triphasée, les doigts (f5) servent à mettre en correspondance chaque trou (a6) avec un trou (a5) de la pièce (aO) correspondante. La duplication des emplacements (a5) et (a7) sur une même pièce (aO) permet ainsi d'utiliser la même pièce (aO) pour la réalisation de machines diphasées et triphasées.

Les dimensions et positions respectives des différents constituants de la pièce (aO) sont choisis en fonctions des contraintes de l'homme de l'art. Les angles (a1), (a2), (a4), (a15), (a17), (a18), (a19) et (a20) sont calculés pour maintenir en rotation relative les pièces (b1) et (b2) constituant une phase (d4a) ou (d4b).

Les angles (a3) sont calculés respectivement pour que les doigt (a8) et (a9) remplissent l'espace laissé libre entre les dents (b4) et (b5) des phases (d4a) et (d4b) contre laquelle ils sont plaqués. Dans une autre réalisation, ledit espace peut être plus fin.

Le décalage angulaire entre les groupes de dents (a8) et (a9) est laissé au choix de l'homme de l'art, qui pourra choisir un décalage correspondant à la quantité de dents (b4) ou (b5) de son choix.

Les angles (a21), (a22), (a23), (a24), (a25) et (a26) sont calculés de façon à ce que les décalages angulaires des pièces (aO) dans la disposition de la figure 8, permettent aux phases (d4a) et (d4b) d'être décalées angulairement d'un angle adéquat, lié au nombre de phases électriques de la machine tournante complète, c'est à dire monophasé, diphasé, triphasé, ou encore polyphasé avec un nombre de phases électriques quelconque. Les diamètres (a11) et (a 16) sont calculés de façon à permettre aux pièces annexes rotor et carcasse de s'intégrer dans la machine tournante. Le diamètre (a27) n'a pas d'influence sur le fonctionnement de la machine, il sera laissé au libre choix de l'homme de l'art. L'épaisseur (a10) est définie de façon à assurer un maintien de la pièce (aO) dans les galettes (b1) et (b2), mais sans toucher la bobine (b3) de la phase (d4a) ou (d4b). Les épaisseurs (a12) et (a13) sont définies de façon à maintenir une distance suffisante entre les phases (d4) successives formant la machine tournante, pour que les interactions électromagnétiques aient la valeur désirée. Dans une première réalisation ladite interaction électromagnétique peut être négligeable. Dans seconde réalisation ladite interaction électromagnétique, peut être utilisée afin de réaliser un couplage entre phases (d4a) et (d4b) successives formant la machine tournante.

Dans une réalisation présentée à la figure 10, la pièce (f1) est formée en une seule pièce (a32), équivalente à deux pièces (aO) accolées axialement, de façon à ce que les paires de doigts (a8)/(a9) sur une face et (a30)/(a31) sur la face opposée soient décalées angulairement de l'angle adéquat (a33), qui respecte les contraintes de réalisation décrites précédemment.

Dans une réalisation astucieuse, les pièces de calage (f1), (aO) ou

(a32) sont collées préalablement à l'assemblage de façon complète ou partielle sur les phases (d4), (d4a) et/ou (d4b), afin d'en simplifier l'assemblage.

Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.

Il est particulièrement spécifié que la présente invention peut s'appliquer de façon directe à une structure de machine de type (e4) (dite directe, phase (d4) externe), ou de type (e5) (dite inversée, phase (d4) interne). Le passage de la description de ce document, qui expose au travers de ses figures et explications essentiellement la structure de machine (e4), à la structure (e5), s'obtient en effectuant une transformation symétrique radiale des pièces constituant les phases (d4), notamment sur les dents (b4) et (b5), qui deviennent alors extérieures à la phase. L'homme du métier saura effectuer cette transposition sans difficulté.