Brevet FR2009713A1 — publié le 19700206

La présente invention concerne un moteur monophasé à régime variable en fonction de la fréquence de la tension d'alimentation, monté à la manière d'un moteur à hystérésis à pôles fendus, dont les pôles de stator fendus sont constitués chacun 5 par un pôle principal et par un pôle auxiliaire décalé selon un certain angle dans le sens périphérique et portant un enroulement à court-circuit, et dont le rotor est constitué par l'assemblage d'aimants permanents magnétisés radialement, en forme de disques ou d'anneaux, destinés à produire la fraction princi-10 pale du couple synchrone, et par un élément en forme de disque ou d'anneau, servant essentiellement à produire un couple a-synchrone et constitué par une matière magnétisable à hystérésis prononcée• Bans de nombreux domaines d'utilisation techniques, on a 15 besoin de moteurs d'entraînement à régime variant proportionnellement à la fréquence de commande qui de plus, pour des raisons économiques, doivent fonctionner le plus possible en régime monophasé, car les génératrices triphasées sont beaucoup plus compliquées» Comme possibilité d'utilisation, on mentionnera les 20 moteurs d'entraînement destinés aux compteurs de vitesse de véhicules accouplés à un compteur kilométrique. Bans ce cas, le moteur d'entraînement peut être alimenté par un générateur de fréquence qui peut être par exemple entraîné par un essieu du véhicule. 25 Etant donné que le mécanisme d'un compteur de vitesse doit assurer un comptage dès le début du mouvement du véhicule et par conséquent à partir de la fréquence zéro, et que par ailleurs le compteur de vitesse doit fonctionner encore, avec précision à de hauts régimes ou à de hautes fréquences, de 50 Hz et même davan-30 tage, il est nécessaire de prévoir un moteur d'entraînement dont le régime puisse varier proportionnellement à la vitesse du véhicule dans une large gamme à partir de zéro. Il faut alors que dans la gamme des régimes inférieurs, à partir de zéro, le moteur fonctionne pas à pas, afin qu'il soit possible d'obtenir un 35 décompte exact de la distance parcourue. Bar contre, la mesure de la vitesse (le point zéro étant en principe supprimé) peut commencer à partir d'une vitesse de 5 km/h environ, c'est-à-dire qu'à partir d'une fréquence de la tension d'alimentation correspondant à cette vitesse le moteur doit fonctionner exactement en 40 synchronisme jusqu'à la fréquence limite supérieure. 69 16690 2009713 Le "but de 1'invention est de réaliser un moteur destiné à celfte utilisation, aussi simple que possible dans sa construction et par conséquent de fabrication peu onéreuse, précis dès que le véhicule se met en marcîre, entraînant lors d'un fonction-5 nemert» pas à pas un compteur de distance usuel, présentant une transition précise entre le fonctionnement pas à pas et le fonctionnement en synchronisme, et fournissant le couple nécessaire pour l'entraînement d'un compteur de vitesse jusqu'à la vitesse limite, par exemple d'un compteur à courants de Foucault, ce mo-10 teur revenant automatiquement et rapidement à un fonctionnement synchrone lors d'un "glissement" ou déphasage se produisant pour une reison quelconque* Il existe de nombreux types de moteurs synchrones destinés à des réglages et à des commandes appelés "synchros", indicateurs 15 de mouvements angulaires, etc. Hais pour des raisons physiques, ces moteurs ne peuvent fonctionner qu'en régime triphasé ou polyphasé et sont par conséquent relativement onéreux. Se même, ils sont nécessairement compliqués, ce qui augmente les risques de pannes. 20 Pour le fonctionnement en régime monophasé désiré dans le cas présent, il existe également des moteurs à hystérésis et à pôles fendus comportant en général un stator bipolaire dont les pôles sont divisés en un pôle principal et en un pôle auxiliaire décalé par rapport au premier selon un certain angle dans le sens 25 périphérique et portant un enroulement à court-circuit. Le rotor est constitué par une matière magnétisable à hystérésis prononcée. Ces moteurs connus à pôles fendus ont cependant une puissance trop faible et subissent un •felissement" sous la moindre charge. Mais surtout, ils présentent cet inconvénient que, lors 30 d'un fonctionnement pas à pas, la position de repos du rotor n'est pas garantie, ni par conséquent l'angle de commutation. Pour améliorer la puissance et augmenter le couple synchrone de ces moteurs à hystérésis et à pôles fendus, il existe une construction dont le rotor, constitué par une matière à hystéré-35 sis, porte un ou plusieurs aimants permanents en forme de disques ou d'anneaux magnétisés radialemeht. La présence de ces aimants permanents augmente considérablement le couple synchrone. Mais étant donné qu'en même temps, du fait du flux de dispersion des aimants permanents le pôle fixe peut influencer la partie à 40 hystérésis du rotor, et par suite du couple de collage produit 69 16690 3 2009713 par les aimants permanents, le couple asynchrone produit par la partie à hystérésis du rotor est affaibli, ce moteur subit un glissement, lors du passage d'un fonctionnement pas à pas à un fonctionnement synchrone, sous l'effet de la moindre charge. Ces 5 moteurs monophasés à pôles fendus de construction simple ne conviennent par conséquent que pour un fonctionnement synchrone et à des régimes bien déterminés. Pour résoudre le problème posé, l'invention part du montage des moteurs à hystérésis à pôles fendus qui viennent d'être 10 mentionnés et qui sont décrits au début, et supprime leurs inconvénients apparaissant lors d'un fonctionnement pas à pas en calculant la sectioin de l'enroulement à court-circuit monté sur les pôles auxiliaires de telle sorte que le couple asynchrone maximum se situe dans la partie inférieure de la gamme de fréquences 15 de la tension d'alimentation du moteur, de préférence entre 5 et 20 Hz . En calculant aussi largement que possible la section de l'enroulement à court-circuit sur les pôles auxiliaires, jusqu'à la limite permise par la place disponitfe et par 1'échauffement 20 admissible, le couple asynchrone maximum pouvant être obtenu pour une excitation donnée des pôles principaux par l'enroulement de stator est, grâce au choix d'un matériau à hystérésis de rémanen-ce maximum et de force coercitive minimum, comprise entre celles d'aimants permanents et de matières magnétiques douces, reporté 25 à un degré tel vers la gamme de fréquences inférieures, en fonction de la fréquence d'alimentation, que du fait du maximum rèlà-tivement plat de la courbe du couple asynchrone dans la gamme des fréquences critiques du moteur (transition entre le fonctionnement pas à pas et le fonctionnement asynchrone) on obtienne 30 encore un couple d'attraction asynchrone suffisant pour qu'une transition sûre soit garantie, même avec la charge prévue, par exemple dans le cas d'un compteur kilométrique usuel présentant une résistance de friction élevée. Grâce au calcul, suivant l'invention, de la section des 35 enroulements à court-circuit sur les pôles auxiliaires, l'affaiblissement du couple asynchrone dû à la présence des aimants permanents, par suite du couple de collage et du flux de dispersion, peut être en grande partie compensé, précisément dans la zone de transition critique, grâce au déplacement ou décalage de 40 la courbe du couple. Un autre avantage résulte du renforcement 69 16690 4 2009713 du couple asynchrone dans la gamme inférieure des fréquences, qui produit un fort amortissement des vibrations du rotor en fonctionnement pas à pas, et par conséquent un arrit complet après chaque pas de commande» 5 Cependant, étant donné que par suite du déplacement du cou ple maximum, asynchrone, vers la gamme des fréquences la plus basse, dans la gamme supérieure des fréquences, du fait de l'abaissement de la courbe, la fraction du couple synchrone provenant de la partie à hystérésis du rotor est affaiblie, il peut s'en 10 suivre que, le moteur étant en charge, on n'obtienne pas par exe* pie lors d'une interruption de courte durée de la tension d'alimentation, un couple d'attraction synchrone suffisamment élevé aux régimes élevés pour que le moteur puisse rapidement»lbnc-tionner en régime synchrone ou repartir. Pour remédier à cet in-15 convénient, il est prévu, suivant une autre particularité de l'invention, de monter sur le rotor au moins deux; aimants permanents écartés l'un de l'autre dans le sens axial, dont les axes de magnétisation sont décalés périphériquement l'un par rapport à l'autre d'un même angle ou d'un angle approximativement égal à 20 celui selon lequel un pôle principal et un pôle auxiliaire du stator sont décalés circonférentiellement l'un ptfr rapport à l'autre. Par suite de ce décalage des axes magnétiques des aimants permanents, on obtient une répartition du champ magnétique du ro-25 tor dans le sens circonférentiel telle que le couple de collage exercé par les ai niants permanents soit considérablement réduit, de môme que le flux de dispersion. Cette réduction de l'effet affaiblissant des aimants permanents donne, dans la gamme supérieure des fréquences aux régimes élevés du moteur, l'améliora-30 tiôn désirée de la répartition du couple synchrone de l'élément à hystérésis du rotor, et également un couple d'attraction asynchrone suffisant, éventuellement nécessaire. Un calcul de la section de l'enroulement à court-circuit sur les pôles auxiliaires, produisant le décalage du maximum du 35 couple asynchrone suivant l'invention, est partiœLièrement avantageux lorsque cette section est supérieure à la section du noyau de fer des pôles auxiliaires. Le sens de démarrage et de commutation du moteur peut être en outre assuré par une conformation des pièces polaires du stator produisant le sens préfé-40 rentiel voulu, de la manière connue, en les allongeant d'un côté 69 5 10 15 20 25 50 35 40 16690 5 2009713 . dans le sens de rotation. Pour obtenir un moteur de forme compacte, il est en outre avantageux de constituer l'enroulement du stator par une "bobine annulaire. Les dessins schématiques annexés montrent, à titre d'exemple non limitatif, l'évolution du couple et la construction du moteur suivant l'invention. La fig. 1 est un graphique du couple, La fig. 2 est une vue en coupe axiale du moteur. La fig. 3 montre un enroulement à court-circuit. Sur le graphique qui forme la fig. 1, on a représenté la courbe du couple dans les trois gammes différentiant les modes de fonctionnement du moteur en fonction de la fréquence de la tension d'alimentation ou du régime du générateur de fréquence produisant cette tension, par exemple en fonction de la vitesse. Dans la zone désignée par I, le moteur fonctionne pas à pas ; la zone II caractérise la gamme de fréquences critique dans laquelle se produit la transition entre le fonctionnement pas à pas et la zone du fonctionnement synchrone désignée par III. Tandis que la courbe "a" indique la variation du couple total du moteur, la courbe "b" indique la variation du couple asyit-chrone produit par la partie à hystérésis du rotor et la courbe "c" indique la variation du couple synchrone produit sur le rotor par les aimants permanents. La courbe "d" montre, par comparaison, l'évolution du couple asynchrone d'un moteur à hystérésis à pôles fendus ne tenant pas compte des mesurés prévues par l'invention et sans aimants permanents sur le rotor. On peut voir qu'un tel moteur ne convient pas pour un fonctionnement pas à pas. Pour le démarrage du moteur en fonctionnement pas à pas (gamme I), c'est tout d'abord exclusivement le couple synchrone "c"* de l'élément magnétique permanent qui agit. Pour une fréquence de tension d'alimentation de 2 à 3 Hz environ, ce couple s'effondre pratiquement. Il oscille dans la zone critique II de façon indéfinie, entre des valeurs positives et négatives, et réapparait à l'extrémité de la zone II comme couple synchrone, avec une variation selon la courbe "c" correspondant au fonctionnement continu du moteur. Suivant l'invention, la solution de continuité constatée dans la gamme des fréquences critiques II lors de la transition entre le fonctionnement pas à pas et le fonctionnement synchrone est comblée par le décalage de la 69 16690 2009713 courba asynchrone "t>" ver» la gamme de fréquences inférieure» Le couple asynchrone agissant déjà dans cette zone ou garnie et produit par la partie à hystérésis du rotor est suffisamment élevé pour empêcher un glissement du moteur à l'extrémité de la 5 gamme de fonctionnement pas à pas I, pour franchir la zone de transition II en fonctionnement asynchrone, et pour assurer tua passage rapide à un fonctionnement synchrone (gamme ni). On a représenté achématiquement sur la fig» 2 la construction d'un moteur suivant l'invention, en coupe axiale par les 10 pôles auxiliaires. L'enroulement 1 de la "bobine annulaire 2 est entouré de toutes parts par une cuvette de tôle polaire 3 et par un couvercle 4. Les pôles du stator sont découpées dans le fond de la cuvette 3 et dans le couvercle 4 et sont recourbés sur la surface cylindrique du stator. En ce qui concer-15 ne les pôles, on ne voit sur la vue en coupe que les pôles auxiliaires 5* Le rotor est monté avec son arbre 7 dans des coussinets 6 prévus dans le fond 3 et dans le couvercle 4. L'arbre 7 porte un noyau 8 électriquement non conducteur, au milieu duquel sont fixés un anneau ou une bague en matière à 20 hystérésis 9 et, sur chacun de ces deux côtés, des anneaux à aimantation permanente 10. Sur les pôles auxiliaires 5 est engagé l'enroulement à court-cireuit réalisé sous forme de deux disques de cuivre 11. Ces disques à court-cireuit sont représentés sur la fig. 3, et 25 on peut voir que la section utile de l'ensemble de l'enroulement à court-circuit est, dans l'exemple représenté, supérieure à celle de la section du noyau de fer des pôles auxiliaires 5. On a indiqué en traits interrompus sur la fig. 3 un pôle auxiliaire 5, ainsi que son pôle principal associé 12 (non représenté sur 30 la fig. 1), monté dans une découpe en forme de secteur du disque à court-circuit 11. Les axes de magnétisation des deux anneaux à aimantation permanente 10 sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre d'un angle égal au décalage circonféren-tiel d'un pôle principal et d'un pôle auxiliaire du stator. La forme des disques 11 sert à créer des circuits dérivés pour 35 les courants de court-circuit et à assurer une meilleure évacuation de la chaleur produite dans les disques. Les détails de réalisation peuvent être modifiés, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences techniques. 69 16690 7 2009713 1ETE5DICAÏIOHS 1. Moteur monophasé à régime variable proportionnellement à la fréquence de la tension d1 allmentatioli, monté à la manière d'tui moteur à hystérésis à pôles fendus, dont les pôles de sta- 5 tor fendus sont constitués chacun par un pôle principal et par un pôle auxiliaire décalé d'un angle déterminé dans le sens eirconférentiel et portant un enroulement à court-circuit, et dont le rotor est constitué par l'assemblage d'aimants permanents magnétisés dans le sens radial, en forme de disques ou d'anneaux, 10 servant à produire la fraction principale du couple synchrone, et par un élément en forme de disque ou d'anneau servant principalement à produire un couple asynchrone et constitué par une matière magnétisable à hystérésis prononcée, caractérisé en ce que la section de l'enroulement à court-circuit monté sur les 15 pôles auxiliaires est calculée de telle sorte que le maximum du couple asynchrone se situe dans la partie inférieure de la gamme de fréquences de la tension d'alimentation, de préférence entre 5 et 20 Hz. 2. Moteur monophaxé suivant la revendication 1, caractéri-20 sé en ce que la section de l'enroulement à court-circuit est supérieure à la section du noyau de fer des pôles auxiliaires. 3. Moteur monophasé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins deux aimants permanents séparés dans le sens axial sont prévus sur le rotor, leurs axes de magnétisais tion étant décalés l'un par rapport à l'autre dans le sens eirconférentiel du même angle ou à peu près du même angle qu'un pôle principal et un pôle auxiliaire du stator sont décalés dans le sens eirconférentiel. 4. Moteur monophasé suivant l'une quelconque des revendi-30 cations 1 à 3j caractérisé en ce que les pièces polaires du stator ont une forme produisant un sens de rotation préférentiel 5. Moteur monophasé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enroulement du stator est constitué par une bobine annulaire.