Améliorer le flux inducteur d'un alternateur

[Antoane]

Bonjour,

sur le principe, le schéma #116 me parait raisonnable. Les bagiues semblent montrer que le bobinage interne au rotor est utilisé pour "reproduire un aimant permanent".

Restent quelques détails : fixation (force centrifuge), équilibrage du rotor, polarité, saturation...

> J’ai l’impression que c’est une continuité du matériau magnétique.
Je ne pense pas : le flux me parait supposé passer d'une griffe notée N à une griffe notée S en passant par le stator (et en traversant deux fois l'entrefer). Si les pièces qu#entendent remplacer les aimants étaient ferromagnétoaues, elles court-circuiterait le flux qui ne passerait pas par le stator.
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[invite1ba4e83a]

Pour être encore un peu plus précis, si la roue polaire de gauche est Nord (rouge) et que celle de droite est Sud (bleu), peut-on estimé que mon interprétation de la direction Nord-Sud des aimants est bonne?

[Antoane]

Ca me parait bon, même si il me semble dificile de transposer ca à ta géométrie.

[invite1ba4e83a]

Un exemple concret :



que l'on peut trouver ici

[invite1ba4e83a]

Bonjour,

Ci-joint 2 croquis en développé. Le premier correspond à ce qui existe.



Le deuxième est une extrapolation pour mon alternateur avec 24 aimants.



D'un point de vue théorique, est-ce judicieux?

[Antoane]

Bonjour,

Il faudrait faire une simulation pour valider, mais je ne pense pas : les dents situées en face de chaque aimant vont "court-circuiter" celui-ci (au travers de l'entrefer) et que cet arrangement ne va pas amplifier le champ créé par la bobine, mais en modifier la topologie.

[invite1ba4e83a]

les dents situées en face de chaque aimant vont "court-circuiter" celui-ci (au travers de l'entrefer)

Tu fais bien référence à l'entrefer entre les roues polaires Sud et Nord?

[Antoane]

Non, l'entrefer entre rotor et stator

[invite1ba4e83a]

OK. Mais dans ce cas, je ne vois pas ce qui change entre les 2 cas. Pourquoi dans le premier cas (roues polaires imbriquées), le flux est amélioré avec l'ajoût d'aimants et dans l'autre (roues polaires séparées), l'entrefer entre rotor et stator pose un problème puisque dans les 2 cas il reste identique.
Si c'est la taille des aimants représentés qui est en cause, ce n'est bien sûr qu'une représentation. Tu penses peut-être qu'il faudrait plutôt la réduire pour diminuer l'incidence?

[Gyrocompas]

Bonjour,
On se dirige vers l'alternateur hybride,béquille constituée d'un champ magnétique contrôlé par un régulateur associé à un champ permanent.

Le régulateur limitera la tension en fonction du besoin.
Le champ permanent, produira une tension proportionnelle au régime.
12v à 1500 t/mn deviendra plus de 70 à 9000 t/mn.
Si l'alternateur n'est pas prévu pour ce fonctionnement, des dégâts sont à prévoir.

En fonction du régime auquel il risque d'être exposé, un moteur électrique subit un test de déflagration, dégradation par la force centrifuge.

A #129, on ne sait toujours pas si la bobine est en état, idem pour le régulateur

[Antoane]

Bonjour,

si on prend un modèle simple 2D de l'alternateur "réel", on trouve ca :
Folie1.PNG
- en haut une vue en coupe du système
- au milieu les demi-lignes de champs crées par l'inducteur (elle se referment dans l'axe rotor, au travers de la bobine)
- en bas les lignes de champs crées par l'aimant
On voit que les lignes crées par l'aimant viennent renforcer celles crées par la bobine

Si on prend "ton" design, on trouve ce schéma :
Folie2.PNG
C'est moins évident du fait de la géométrie 3D (en fait, le schéma semble montrer un gain plus fort au'il le serait), mais je pense que les aimants n'aident pas á renforcer le champ comme ils le faisient dans l'autre exemple... Il faudrait que tu faces une bonne simu pour vérifier.

> A #129, on ne sait toujours pas si la bobine est en état, idem pour le régulateur
Certes, mais duc oup on part dans des solution techniques amusantes à imaginer et infaisable. C'est bien plus fun aue de chercher á réparer un alternateur !

[invite1ba4e83a]

Bonjour,

Effectivement, il semble très délicat de vouloir comparer le trajet du flux dans les 2 cas en sachant qu'au final il y a en plus de nombreuses pertes à tous niveaux.
Dans une thèse que l'on trouve ici , la modélisation donne cela au chapitre 1 :



Avec ou sans aimants le trajet du flux devrait être très semblable.

Ce qui attire mon intérêt pour ma proposition ce sont ces passages là :

Certains rotors présentent des aimants à aimantation tangentielle placés dans l’espace inter-griffes (Figure 3). L’utilisation d’aimants inter-griffes permet de réduire les fuites entre griffes tout en polarisant le rotor en inverse. En fonctionnement, le rotor est donc moins saturé pour un flux utile accru.

Si l'on compare les performances en terme de débit batterie entre l'alternateur initial et l'alternateur à aimant NdFeB, on constate que l'utilisation d'aimants NdFeB au rotor permet d'augmenter le débit à basse vitesse de 36 % et à haute vitesse de 38 %. L'utilisation d'aimant Ferrites permet d'augmenter le débit à basse vitesse de 17 % et à haute vitesse de 11 %. L'utilisation d'aimants inter-polaires permet donc d'améliorer très nettement les performances des alternateurs à griffes. Le gain en performance lié à l’utilisation d’aimant est induit par des apports dits directs et des apports dits indirectes. Les apports directs sont la réduction des fuites entre griffes, la désaturation du rotor et le renfort du flux inducteur.

Par contre, comme je ne vais pas mofifier les spires, les apports indirects ne semblent pas être pour moi :

À ces apports directs viennent s’ajouter des apports indirects tel que la désaturation du rotor qui permet d'augmenter le nombre de spires inducteur ce qui ajouté au renfort du flux par les aimants explique l’augmentation du débit batterie à basse et à haute vitesses. Dans le cas des aimants NdFeB, le gain en flux inducteur est tel que l'on peut réduire le nombre de spires par phase ce qui se traduit par un gain en débit à haute vitesse très important tout en conservant des débits à basse vitesse élevés.

Mais je crains quand même que le gain ne soit pas aussi important dans mon cas, non pas à cause de l'entrefer cité par Antoane mais du fait que les roues polaires ne sont pas imbriquées mais séparées et que la réduction des fuites entre griffes soit plus faible.

[invite1ba4e83a]

Bonsoir,

Je reviens sur la proposition d'Antoane au #107.
Pour être sûr de bien comprendre, est ce que l'idée est un aimant de longueur égale au diamètre du rotor et d'une section par exemple de 15x15 mm qui traverserait le rotor de part en part?

[JeanYves56]

Bsr ,

Je crois que c'est un aimant en forme d'anneau , comme par exemple un aimant de haut parleur ...

J'ai lu que , les rotors avec aimants permanent sont utilisés , par exemple, dans les alternateurs qui tournent lentement ( eolienne... ) ,
ce qui est compréhensible , mais pas le cas ici .

[invite1ba4e83a]

Bonjour,

Pour être plus précis, la proposition d'Antoane au #107 repose sur 2 croquis. J'ai un doute sur les anneaux.

[Gyrocompas]

Bonjour,

par exemple un aimant de haut parleur

Ca a été proposé il y a fort longtemps, sans imprimer, impression de tourner en rond.
Le problème sera la régulation.
Les redresseurs des alternateurs à régulation du flux du stator ne sont pas compatibles avec ceux à aimants permanents.
Courage, nous n'en sommes qu'à 13x.

[Antoane]

Bonjour,
il faut que l'aimant ait un pole nord à gauche et nu à droite, le plus simple étant effectivement un aimant en forme de disque ou d'anneau. En revanche, il ne doit a priori pas y avoir de court-circuit magnétique : si un anneau est utiliser il ne doit pas y avoir d'axe métalique passant en son centre (ainsi que le montre la deuxième figure du post 135). Un modèle analytique détaillé ou une simulation FEM serait bienvenue.
Mécaniquement, ce n'est donc pas évident à mettre en oeuvre. S'y ajoute la force centrifuge s'exercant sur le(s) aimants (même si le petit diamètre limite cette dernière).
Comme indiqué plus haut, l'ajout de cet aimant crée un entrefer pour la bobine, ce qui en diminue "l'efficacité". Il faut donc un aimant suffisament "puissant" pour compenser cette perte.

Enfin, comme dit à plusieurs reprises, ce n'est pas la bonne façon de réparer cet alternateur...

[JeanYves56]

Bonjour ,

Mécaniquement c'est facile de monter un aimant en forme d'anneau , en tournant le noyau de la griffe de gauche a son extremité , suivant le Ø int de l'aimant .
A condition que le Ø exter soit aussi adapté à la bobine ?

Mais c'est exact que ce n'est pas la méthode pour réparer cet alternateur , s'il est à reparer ??

[Antoane]

en tournant le noyau de la griffe de gauche a son extremité , suivant le Ø int de l'aimant

Il ne faut pas que le matériaux passant dans l'oeil de l'aimant soit ferro-magnétique, sans quoi l'effet de l'aimant sera annulé (ou fortement réduit). Cela peut donc être du cuivre, du cuivre, du plastique, du vide, etc. mais pas de l'acier, du nickel, du ferrite, etc.
C'est ce qu'on voit dans cette simulation utilisant le même modèle qu'au post 113, sans alimenter la bobine, mais avec un aimant percé et :
- de l'air dans l'oeil :
fs4.PNG
- de l'acier dans l'oeil :
fs5.PNG
On voit que lorsque de l'acier passe dans le noyau, il "court-circuite" l'aimant et les lignes de champs se referment en son sein : il n'y a quasiment aucun champ traversant l'entrefer.

[JeanYves56]

Je suis tres surpris par ces vues du spectre magnétique !! on ne voit pas bien suivant quel axe est generé l'induction ?

A l'origine , dans cet alternateur , l'induction magnétique est generée par le bobinage du rotor autour du noyau et va jusqu'aux griffes .

Et il me semble que l'induction est bien plus importante avec un noyau de fer pur qu'avec de l'air .

[JeanYves56]

Sinon , on se demande pourquoi , une bobine de relais est faite autour d'un noyau de fer pur .? ...

[Antoane]

Bonjour,

on ne voit pas bien suivant quel axe est generé l'induction ?

Le post #113 explique et montre un peu plus clairement la géométrie, https://forums.futura-sciences.com/a...nateur-fs2.png
L'axe de la machine est sur le bord gauche des figures, avec une symmétrie axiale.

Plus en détails :
fs6.PNG
à gauche le schéma de base, à droite celui avec aimant permanent

Et il me semble que l'induction est bien plus importante avec un noyau de fer pur qu'avec de l'air .

Ca dépend d'où tu mets le fer et d'où tu regardes le flux
Si on regarde un modèle reluctant simpliste du cas de base, on trouve :
fs7.PNG
avec en vert la source de MMF due à la bobine inductrice, en vert la reluctance du fer, et en jaune la reluctance de l'entrefer. Le flux devant être maximisé est celui traversant l'entrefer, i.e. les reluctances jaunes. Ce flux vaut, trivialement:

En ajoutant un aimant, le circuit se complexifie un peu :
fs8.PNG
où Fpm est la MMF créée par l'aimant, Rpm est sa reluctance, et Rcc est la reluctance du matériau se trouvant dans l'oeil de l'aimant. Le flux total traversant l'entrefer se calcule par exemple par principe de superposition :
- Rpm a une relativement grand value car la perméabilité de l'aimant est proche de 1, donc en mettant dans l'oeil du fer, on fixe Rcc~0, et la source de MMF Fpm est quasi-court-circuitée, elle ne contribue donc pas au flux utile (c'est ce qu'on voit dans ma simulation au post précédent). Autrement dit, avec ce montage, un flux élevé est généré par l'aimant, mais ce flux ne contribue pas au fonctionnement de la machine.
- à l'opposé, Rcc est en série avec la source de MMF créée par la bobine inductrice, ce qui réduit notablement le flux généré par cette dernière...

Comme indiqué plus haut, une conception (optimale) n'est pas triviale.

[JeanYves56]

re ,

Bon ben la messe est dite ! ...

[invite1ba4e83a]

Bonjour,

Merci Antoane pour ces explications. Il me semble qu'on pourrait peut être remplir la partie de l'oeil entre l'aimant et l'arbre en acier par une matière amagnétique afin d'améliorer l'effet de l'aimant.

[Antoane]

Bonjour,

par amagnétique, tu entends probablement paramagnétique, tels les métriaux proposés plus haut (aluminium, air, cuivre, plastique, bois...). En pratique, utiliser un matériau présentant un diamagnétisme "notable" sera pas faisable.
Idéalement, il faudrait faire une optimisation en fonction du flux recherché, de la proportion de flux venant de la bobine vs aimant, de l'aimant, etc.

[invite1ba4e83a]

Bonjour,

Idéalement, il faudrait faire une optimisation en fonction du flux recherché, de la proportion de flux venant de la bobine vs aimant, de l'aimant, etc.

Je n'ai bien entendu aucune idée de ces éléments et aucun moyen en ma possession pour faire une étude de ce genre. Je ne dispose que des éléments que j'ai fournis et rien d'autre. Comme je l'ai dit, je ne cherche rien à inventer juste m'inspirer de ce qui existe et qui a fait ses preuves et d'essayer humblement de le mettre en pratique.
A ce stade, je m'appuie uniquement sur quelques thèses disponibles sur le sujet.