L’invention se réfère à une machine électrique asynchrone multifonctionnelle, capable à exécuter divers mouvements, dès la rotation et la translation jusqu’aux mouvements composés de type hélicoïdaux, utilisée de préférence comme moteur électrique, dans le domaine des actionnements électriques, mais aussi comme freine électromagnétique ou même comme générateur électrique.

A présent, on connaît le moteur électrique asynchrone à champ magnétique de rotation qui, malgré une construction plus simple que celui synchrone et qui permet le réglement de la tour, ne peut exécuter que des mouvements de rotation, fait qui limite la gamme d’utilisations de celui-ci. Dans le brevet FR 2606225, on présente une machine électrique à double entrefer, composée en principal de stator, rotor et écran cylindrique intermédiare, ayant des  enroulements polyphasés pour des champs magnétiques de rotation qui, malgré la puissance massique améliorée, la partie mobile n’assure que des mouvements de rotation. Pour exécuter  des mouvements de translation dans la technique actuelle des actionnements électriques on utilise des machines asynchrones linéaires qui, aux puissances égales, ont le rendement et le facteur de puissance plus petits que les paramètres correspondants des machines de rotation.

L’invention élimine ces inconvénients par le fait que la machine électrique asynchrone multifonctionnelle est prévue avec un rotor intermédiaire de type cylindre vide avec les deux faces ayant des conducteurs élestriques en court-circuit et disposé coaxialement entre le stator extérieur sur lequel se trouve l’enroulement polyphasé  pour le champ magnétique de rotation et le stator intérieur sur lequel il y a l’enroulement polyphasé qui assure un champ magnétique progressif de translation longitudinale sur la direction de la succession des phases. Le but de l’invention consiste dans la réalisation d’une machine électrique multifonctionnelle qui peut exécuter dans un sens ou dans l’autre, des mouvements de rotation, de translation ou  une combinaison de ceux-ci.

On continue par donner un exemple de la réalisation de l’invention, concernant le dessin qui représente une section par une machine asynchrone multifonctionnelle. La machine électrique asynchrone prototype se compose principalement d’un stator extérieur 2, un stator intérieur 4 et un rotor intermédiare 1 qui sont disposés coaxialement. Le stator extérieur 2 et le rotor 1  sont de type cylindre vide et le stator intérieur 4 a la forme d’un cylindre plein.

Le champ magnétique de rotation est généré par l’enroulement électrique triphasé 3, disposé dans les entailles pratiquées sur la face intérieure du stator 2 et le champ magnétique progressif de translation longitudinale est produit par l’enroulement triphasé 5 disposé dans les entailles pratiquées sur la surface latérale du stator 4. Le rotor intermédiaire 1 a les deux faces en court-circuit de type cage d’écureuil pour la face extérieure, respectivement un ensemble d’anneaux conducteurs, parallèles et équidistants pour la face intérieure. Les enroulements triphasés 3 et 5- ayant le rôle de circuits électriques – sont realisés en fil de cuivre isolé avec laque, et les supports ferromagnétiques 2 et 4 qui constituent les circuits magnétiques, tout comme le rotor intermédiaire 1  sont  realisés en tôles d’acier électrotechnique, laminés au froid et isolés  avec laque pour diminuer les pertes par l’effet hystérésis et courants tourbillonaires.

Du point de vue structurel et fonctionnel, la machine asynchrone multifonctionnelle est une combinaison entre une machine asynchrone rotative (le sous-ensemble 1 et 2) et une nouvelle variante constructive de machine asyncrhone à action linéaire (le sous-ensemble 1 et 4) couplées entre elle par l’intermédiaire de la partie mobile commune. En régime de moteur, la machine asynchrone multifonctionnelle prend la puissance électrique du réseau d’alimentation qu’elle transforme en puissance mécanique par l’intermédaire des forces d’interaction entre les champs magnétiques produits par les courants triphasés des enroulements statoriques et les courants induits dans les conducteurs du rotor.

On continue par la présentation uniquement de la structure et du mode de fonctionnement pour le sous-ensemble formé du rotor 1 et du stator 4 parce que les machines électriques asynchrones rotatives sont bienconnues au niveau de la technique actuelle dans les travaux de spécialité. L’enroulement triphasé 5 est formé des bobines circulaires disposées de manière parallèle et équidistante sur le stator 4 dans les entailles pratiquées sur la surface latérale de celui-ci. Les bobinages pour chaque phase de la tension d’alimentation sont formés des bobines liées en série et enroulées alternativement dans un sens ou dans l’autre. Les bouts de début des enroulements de phase sont lieés séparément aux bornes extérieures A,B et C et les bouts de fin sont liés ensemble à la borne 0 de nul. L’alimentation avec énergie électrique du réseau triphasé de courant alternatif peut se faire en montage- étoile ou montage-triangle. Les courants électriques de l’enroulement triphasé 5 produisent un champ magnétique progressif de translation sur la direction longitudinale du rotor.

 Le champ magnétique variable produit par l’enroulement  triphasé 5 induit dans les anneaux conducteurs de la partie mobile 1 des tensions électromotrices alternatives proportionnelles avec la vitesse de variation  du flux magnétique par les surfaces délimitées d’anneaux. Les champs magnétiques, inducteur et induit, sont en interaction  par des forces électromagnétiques dont la résultante a une composante longitudinale nonnule qui assure le mouvement de translation de la partie mobile 1 de la machine asynchrone multifonctionnelle.

Le mouvement de rotation de la partie mobile 1 est assuré par le couple des forces d’interaction entre le champs magnétique rotateur produit par l’enroulement triphasé 3 et le champ magnétique produit par les courants induits dans les conducteurs du circuit électrique du type-cage d’écureuil. Il est facile à comprendre, sur la base de la loi de l’induction électromagnétique et du principe de la superposition des effets, les actions indépendantes des champs magnétiques produites par les enroulements triphasés 3 et 5 sur les faces en court-circuit du rotor intermédiaire.

Le champ magnétique rotateur produit par l’enroulement triphasé 3 a les lignes de champ disposées normalement sur les surfaces limitées des conducteurs de la cage d’écureuil de sa proximité où il induit des courants électriques intenses, les forces de l’interaction qui donnent naissance au couple moteur, sont perpendiculaires sur l’axe de rotation, contrairement au champ magnétique de translation produit par l’enroulement triphasé 5 qui induit des courants électriques intenses uniquement dans les anneaux conducteurs de la partie mobile 1, la surface de celle-ci étant , de prépondérance, traversée par les lignes de champ, les forces d’interaction ont dans ce cas une composante parallèle à l’axe de rotation qui assure le mouvement de translation. Autrement-dit, le champ magnétique rotateur et le champ magnétique de translation, ayant les lignes de champ perpendiculaires, agiront par des forces perpendiculaires sur la partie mobile qui a les conducteurs de la cage de l’écureuil disposés normalément sur les plans des anneaux conducteurs. Par la composition du mouvement de translation avec celle de rotation on obtient un mouvement résultant de la partie mobile 1 de type hélicoïdale.

On obtient une autre variante constructive de la machine électrique multifonctionnelle  par le changement réciproque des positions des enroulements 3 et 5 , cas où la face latérale extérieure de la partie mobile 1 est prevue avec des anneaux conducteurs et la face intérieure est prevue avec un circuit électrique de type cage d’écureuil. Même  la partie mobile 1 avec les deux faces en court-circuit peut être remplacée  avec un rotor ayant monté  sur les faces des aimants permanents ou des pièces ferromagnétiques qui assurent une reluctance variable, leur forme étant adaptées au type de l’enroulement polyphasé avec lequel s’avoisine.

Pour éviter les surcharges électriques et les chocs mécaniques, la mise en marche des moteurs asynchrones avec le rotor en court-circuit peut se faire par connexion directe au réseau, seulement pour des petites puissances, aux puisances plus grandes que 10kW, la mise en marche se fait par l’intermédiaire des autotransformateurs, des commutateurs étoile-triangle ou des bobines liées en série avec les enroulements triphasés statoriques. Le règlement de la tour et de la vitesse du déplacement longitudinal de la partie mobile 1 peut se faire par la variation de l’amplitude et de la fréquence des tensions appliquées aux bornes des enroulements 3 et 5 à l’aide de certains rhéostats, respectivement des convertisseurs de fréquence.

Le mouvement alternative de la partie mobile 4 peut s’obtenir à l’aide des commutateurs électroniques tripolaires - pour changer l’ordre de la succession des phases – ou même par l’utilisation des stators qui présentent des secteurs symétriques à  l’inversion dans l’ordre de la succession des phases. Pour produire des grandes tours, on peut utiliser une variante modifiée du  moteur asynchrone, où le rotor intermédiaire 1 est prévu sur les deux faces avec des circuits électriques de type-cage d’écureuil, et le stator 4 et la bobine 5 sont remplacés par un rotor intérieur sur lequel il y a  un enroulement triphasé pour générer le deuxième champ rotateur. Dans ce cas, l’effet global est cumulative si les deux champs rotateurs déterminent le même sens de mouvement du rotor intérieur .

Les machines asynchrones multifonctionnelles sont réversibles, les vitesses de rotation et de translation - nommées aussi vitesses de synchronisme du champ magnétique rotateur, respectivement champ magnétique de translation, représentent des valeurs limite pour le passage du régime de moteur en régime de générateur et inversement. En régime de moteur, les vitesses de rotation et de translation de la partie mobile 1 sont plus petites que les vitesses correspondantes de synchronisme et par le dépassement de ces valeaurs de seuil ont passé au régime de générateur électrique. Le freinage des moteurs asynchrones peut se réaliser pas seulement par le passage en régime de générateur avec récuperation d’énergie lorsqu’on induit des courants qui créent un couple résistant mais aussi par connexion inverse ou même par injection du courant continu.

Il y a plusieurs variantes constructives pour les machines électriques asynchrones  qui diffèrent par le nombre des phases et le mode de disposition des circuits  électriques tout comme par les dimensions et la nature des matériels dont les parties composantes sont fabriquées. Les moteurs asynchrones multifonctionels sont très utiles dans le domaine de l’automatisation comme éléments d’exécution  dans le système de règlement automatisé.

Auteur : Tudor Vasile, www.praxisinventica.com, www.voxinventica.com.