Brevet FR2025401A1 — publié le 19700911

La présente invention concerne des moteurs à enroulement en courtcircuit, symétrie centrale1 enroulements concentrés sur des pôles saillants et entrefer partiellement élargi. De tels moteurs à enroulement en court-circuit exigent des ponts magnétiques entre les pôles, sous forme de plaques de fermeture insérées entre les cornes polaires, d'entretoises découpées sur les tôles statoriques constituées par une tale magnétique et une bague de culasse, ou de cornes polaires ne laissant entre elles qu'une étroite fente dans le cas des-moteurs sans plaque de fermeture. Le calcul de ces ponts magnétiques et l'entrefer variable permettent d'une part de déterminer les flux utile et de dispersion, et d'autre part de réduire l'amplitude des harmoniques gênantes. Une variation produit de multiples influences qui compliquent la réalisation souhaitée du moteur à enroulement en court-circuit quant au rendement et à la caractéristique couple-vitesse, ctest-à-dire aux couples de démarrage, accrochage et décrochage. Dans le cas des moteurs à enroulement en court-circuit et plaques de fermeture, il est connu d'évaser continûment l'entrefer sous le pale principal, en direction de la corne polaire, ou de réaliser des évidements à la base de la corne du p81e principal afin d'améliorer le rendement (brevet français N" 1.064.568, brevet EU.A. N" 2.773.999). Dans les moteurs à enroulement en court-circuit, sans plaque de fermeture mais comportant une étroite fente ouverte entre les cornes polaires, on trouve des élargissements étagés de l'entrefer sous la corne du pôle principal, avec des justifications différentes (brevets allemands N 212.073 et 597.982, brevet français N" 1.152.925, brevet des E.UiA. N" 2.591.117).On connait également des évidements de la corne du pôle polaire ou à sa base, sous forme d'une simple fente, afin d'améliorer le couple de démarrage et le rendement (brevets des E.U.A. NO 2.827.583 et 2.815.460). Sur tous les moteurs comportant des plaques de fermeture ou non, les arcs des cornes polaires sont symétriques, de sorte que les lignes neutres sont équidistantes des pales. Sur les moteurs comportant des ponts magnétiques fermés et découpés, et dont les tôles statoriques sont réalisées avec une culasse magnétique unilatérale, et notamment dans les petits moteurs à enroulement en court-circuit ou constitués par une tôle magnétique insérée dans une bague de culasse, il est connu de prévoir des étranglements magnétiques pour fixer la distribution du flux sous forme d'entailles ou-de trou sur les ponts magnétiques, à proximité des spires du pale auxiliaire, ainsi que des cornes du pale principal se rétrécissant en direction du pôle auxiliaire, et par suite lunées.Les lignes neutres produites par ces étraniements ne sont plus équidistantes des pôles, mais forment avec l'axe polaire un angle inférieur à 900 du côté du pôle auxiliaire, de sorte que l'arc du pôle auxiliaire correspond à un tiers environ du pas polaire. Une nouvelle amélioration du couple de démarrage, du couple de décrochage ou du rendement, a pu être obtenue sur ces moteurs à enroulement en court-circuit, selon la position et la dimension de l'étranglement (brevet des E.U.A. N" 2.412.207). Les mesures précédentes ne permettent pas de réaliser librement les moteurs à enroulement en court-circuit : l'augmentation d'une valeur caractéristique se traduit par la diminution de l'autre ou une influence défavorable sur cette dernière. L'influence possible sur chaque valeur caractéristique est toutefois relativement faible aussi. Toutes les mesures d'amélioration du champ dans l'entrefer sont de nature empirique. L'invention vise à supprimer l'imprécision de réalisation des moteurs à enroulement en court-circuit, et notamment de ceux à symétrie centrale et à améliorer non seulement le couple de démarrage, mais surtour le rendement, sans imposer un faible couple de démarrage et un creux plus prononcé de la caractéristique de démarrage. Selon une particularité esaentielle de l'invention, l'arc du pôle auxiliaire est égal ou inférieur à 1/5 du pas polaire et l'entrefer est déterminé, à partir d'une valeur constante, au moyen de l'analyse harmonique du champ résultant de la caractéristique couple-vitesse, selon l'équation pour les moteurs à plaque de fermeture et ceux sans plaque de fermeture, dont la ligne neutre, produite par la fente séparant les extrémités des cornes pilaires ou l'étranglement magnétique sur leslmoteurs à entretoises découpées, fait avec l'axe -polaire un angle plus faible du côté du pôle auxiliaire que du côté du pôle principal. Dans l'équation précédente g x = entrefer cherché au point x suivant le pas polaire. 6m = entrefer moyen B1 = valeur de crête de la fondamentale du champ B = valeur de crête de ltharmonique 3 du champ 3 B = valeur de crête de l'harmonique 5 du champ = = valeur de crête de I'harmonique 9 du champ (p3) = déphasage des -harmoniques correspondants du champ ç 5) x = angle électrique suivant le pas polaire La rotation des lignes neutres en direction du pôle auxiliaire et leur détermination univoque au moyen d'entailles sur les entretoises découpées, ainsi que la réduction de la largeur du pôle auxiliaire par rapport au pas polaire, permettent de déterminer la distribution du flux et par suite des couples de démarrage et de décrochage. La corne du pôle principal est lunée, avec une largeur diminuant continûment depuis la base, dont la largeur est égale à environ 1/3-1/4 de l'arc de la corne du pôle principal. Pour une utilisation normale du moteur, avec une induction d'environ 14000 gauss dans la culasse, on obtient dans la corne polaire une induction ne dépassant pas 18000 gauss pour une induction dans l'entrefer d'environ 4000 gauss. L'entaille de fixation de la ligne neutre est calculée de façon que le flux de disperson à vide soit égal à 9-15% du flux total. Les champs des pôles principal et auxiliaire sont plus éloignés que dans la technique classique. L'augmentation de l'inductance mutuelle du pont magnétique produit un couple de démarrage élevé. L'équation servant à la détermination analytique de l'entrefer découle de la considération suivante : pour une force magnétomotrice donnée, la largeur de l'entrefer est inversement proportionnelle à l'induction. L'expérience montre qutil suffit, pour l'utilisation pratique des tôles statoriques de moteurs à pôles saillants, de ne tenir compte que de l'harmonique 3 du champ et d'admettre que son déphasage spatial par rapport à la fondamentale est nul. L'équation précédente se simplifie alors : #x = #m + #m (B3 sin 3x) B1 B1 La figure 1 représente une courbe de champ B1 + B3, résultant de la fondamentale B1 et d'un harmonique 3 positif et en phase B3, , dont la valeur de crête est égale à 0,5 fois celle de la fondamentale. Cette courbe pourrait être celle produite par la phase d'un moteur à condensateur.Pour rendre la courbe de champ B1 + B3 de nouveau sinusoidale, il faudrait réduire électriquement l'induction correspondant aux angles électriques de 30 et 1500 suivant le pas polaire et l'augmenter électriquement à 90". Selon une particularité de l'invention, ce résultat est obtenu en augmentant l'entrefer à 30 et 1500 de la valeur de l'écart par rapport à la courbe sinusotdale et en le réduisant à 90". Un entrefer minimal doit être assuré pour des raisons constructives. On obtient ainsi par principe l'entrefer représenté à la figure 2 suivant le pas polaire, 6 étant l'entrefer minimal, 5 m l'entrefer moyen ets lBe n tr e f e r m a x im a 1. Le t r a c é d e 1' e n t r e f e r suppose donc en toute rigueur la mesure de l'induction suivant le pas polaire. Les valeurs analysées de la fondamentale et des harmoniques du champ sont ensuite introduites dans les équations précédentes. Lorsque la courbe du champ du moteur à entrefer constant est connue et analysée, un calcul unique de l'entrefer suffit pour la réalisation optimale du moteur. En pratique, on néglige généralement l'analyse du champ car cette méthode est coûteuse. Comme précédemment indiqué, le procédé selon l'invention permet une détermination qualitative de la variation d'entrefer nécessaire, en fournissant sa position correcte, son sens correct et sa valeur relative probable. La valeur quantitative de l'entrefer maximal est inconnue et doit être extrapolée, pour un entrefer moyen donné, à partir de divers rapports admis entre les valeurs de cr8te de l'harmonique 3 du champ et de la fondamentale. On obtient ainsi l'entrefer optimal après quelques approximations. L'application du procédé aux moteurs à enroulement en court-circuit doit tenir compte de la division des pôles en pôle principal et pôle auxiliaire. L'amortissement produit sous le pôle auxiliaire par l'enroulement en courtcircuit doit être pris en considération lors dela détermination de l'entrefer, au moyen d'un facteur approprié. Ce facteur d'amortissement N représente le rapport de l'entrefer en un point du pôle auxiliaire et de l'entrefer au point correspondant du pôle principal. L'équation : permet ensuite de déterminer l'entrefer sous le pôle auxiliaire, dans la mesure où seul l'harmonique 3 du champ est pris en considération. Ce facteur d'amortissement, déterminé expérimentalement sur un moteur à quatre pôles à enroulement en court-circuit, est de 0,58. Cette correction est généralement inutile sur les petits moteurs à enroulement en court-circuit. Dans le cas des moteurs à rotor interne, cette méthode aboutit à des élargissements en arc de l'entrefer sous le pôle principal, avec un maximum vers 30tel du pas polaire, et à un élargissement sous le pôle auxiliaire, généralement négligeable. Contrairement à la technique classique, l'entrefer se rétrécit de nouveau vers l'extrémité de la corne du pôle principal. La correction de l'entrefer se traduit par une réduction poussée des harmoniques du champ. Selon l'invention, les couples de démarrage et de décrochage sont donc déterminés en premier, indépendamment des harmoniques du champ dont l'élimination pratique par la variation de l'entrefer n'influence pas cette détermination, car la distribution du champ n'est pas modifiée. Des modifications des cornes polaires, c'est-à-dire des ponts magnétiques, en vue de la suppression des harmoniques du champproduiraient par contre une réaction. Il apparaît ainsi des zones de saturation qui se traduisent par une grande influence de la tension sur les couples, et notamment leurs minimums. De telles modifications des cornes polaires produisent aussi une réduc- tion du rendement. La suppression des harmoniques du champ ne justifie plus la réduction du nombre drencoches rotoriques et l'adoption d'encoches fermées. Selon une autre particularité de l'invention, le nombre d'encoches rotoriques est augmenté et des encoches ouvertes sont utilisées. Le rendement est ainsi augmenté de nouveau pour atteindre par exemple 24% même dans le cas de petits moteurs bipolaires, ayant un diamètre de rotor d'environ 30 mm et 24 encoches ouvertes, ce qui correspond, par rapport aux moteurs sans élargissement de l'entrefer et à 15 encoches. seulement,à une augmentation supérieure à 409. de la puissance délivrée de 3,8 à 5,6 W.L'augmentation du nombre d'encoches rotoriques et la résistance rotorique diminuée simultanément produisent un couple de décrochage et un couple de démarrage relativement élevé, car la dispersion rotorique est faible pour un nombre d'encoches élevé (dispersion composée double). Dans le cas des moteurs classiques, il peut être avantageux d'augmenter la faible section de fer d'environ 10% et la section des spires en court-circuit jusqu'au double environ, le cas échéant,en montant plus d'une spire en court-circuit, la spire extérieure pouvant de nouveau avoir une section plus grande. Le nombre d'encoches dépend du diamètre du rotor; c'est ainsi qu'il faut prévoir 20 encoches et plus pour un rotor d'un diamètre de 30 à 35 mm, au lieu d'environ 15 encoches dans la technique classique, 22 à 28 encoches environ pour un rotor d'un diamètre de 38 à 44 mm, 28 à 36 encoches pour un rotor d'un diamètre d'environ 45 mm et plus de 32 encoches pour un rotor d'un diamètre d'environ 55 mm. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous de trois exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1, précédemment décrite, représente une courbe de champ; - la figure 2, précédemment décrite, représente l'entrefer corrigé correspondant; - la figure 3 représente la tôle découpée d'un moteur à quatre pôles, enroulement en court-circuit, symétrie centrale et tôle polaire rapportée; - la figure 4 représente les caractéristiques de vitesse~d'un moteur à enroulement en court-circuit selon la figure 1, dans la technique classique et selon l'invention; - la figure 5 représente la tôle découpée d'un grand moteur bipolaire à enroulement en court-circuit et tale polaire; et - la figure 6 représente la tôle découpée d'un grand moteur à quatre pôles et enroulement en court-circuit, sans plaque de fermeture. Les moteurs à quatre pôles, enroulement en court-circuit et symétrie centrale selon la figure 3 sont essentiellement utilisés pour les petits ventilateurs, soufflantes, tourne-disques, magnétophones, machines à écrire, etc. La valeur du couple de démarrage est importante dans les deux derniers cas, alors que le rendement est le facteur principal dans le cas des soufflantes m o n t é e s dans des appareils, tels que les vitrines réfrigérées, pour circulation de l'air. Le diamètre du rotor de tels moteurs est d'environ 50 mm au maximum. La plage de puissance s'étend jusqu'à 30 W environ, selon la largeur du fer. Le rotor 1 du moteur, dont le paquet statorique est constitué par une tale polaire 4 et une bague de culasse 7, a un diamètre de 45,5 mm et 2 comporte 28 encoches ouvertes d'une section de 17,9 mm . les entailles 2 indiquent la ligne neutre et déterminent avec les entailles 3, servant de logement aux spires du pôle auxiliaire, la division en arc polaire principal 5 et arc polaire auxiliaire 6. 2 Les spires en cuivre du pale auxiliaire ont une section de 5,00 mm L'entrefer sous l'arc polaire principal 5 est luné, par élargissement selon les résultats de l'analyse harmonique du champ, sur une plage de 60 él à partir des entailles 2 environ. L'élargissement maximal de l'entrefer, corres pondant à son doublement environ, se situe à 30 1 suivant le pas polaire. Par rapport à un moteur classique, comportant 18 encoches rotoriques, sans élargissement de l'entrefer et pour une même consommation à vide de 35 W, on obtient les valeurs suivantes: Le couple de démarrage passe de 410 à 620 gcm, le couple de décrochage de 1330 à 1750- gcm, la puissance délivrée de 10,8 à 14,3 W, le rendement de 23,5 à 30,5% et le couple d'accrochage minimal de 560 à 700 gcm, pour un poids total de fer réduit à 95 %. La figure 4 représente la caractéristique d'accrochage 3 du moteur classique, la caractéristique 1 améliorée par la division des arcs polaires selon l'invention, avec augmentation du nombre d'encoches, et la caractéristique 2 améliorée encore par élargissement de l'entrefer selon l'analyse harmonique du champ. La figure 5 représente à titre d'exemple la tôle découpée d'un grande moteur bipolaire à enroulement en court-circuit, délivrant une puissance de 90 à 250 W selon la longueur de fer. La tôle polaire 9 est introduite dans la culasse rectangulaire 10 de 118 x 124 mm. ta ligne neutre est fixée dans ce cas par les deux entailles 11, de sorte que la droite 12 reliant ces deux entailles peut être considérée comme l'axe neutre. Du côté du pôle auxiliaire, cet axe forme avec l'axe polaire 13 un angle inférieur à 900 à savoir de 62 él.. L'arc du pôle auxiliaire, délimité par la ligne neutre 12 et l'axe de l'encoche interne 14 du pôle auxiliaire, est égal ou inférieur à 1/5 du pas polaire, à savoir 34 1 . Une seconde spire est logée dans l'en- coche 16.L'entrefer est élargi selon l'invention, comme l'indique l'épaisseur accrue de l'arc de cercle, sur une plagede 600é1.à partir de la ligne neutre 12, sous la corne 15 du pôle principal. Le rotor a un diamètre de 55 mm et comporte 36 encoches. La figure 6 représente un moteur à quatre pôles et enroulement en court-circuit, sans plaque de fermeture, ayant un diamètre extérieur de 136 mm et une puissance délivrée de 140 W pour une longueur de fer de 50 mm et de 105 W pour une longueur de fer de 32 mm. Les lignes neutres sont fixées par les fentes 17 d'encoche. Elles forment avec les axes polaires 23 un angle inférieur à 90 el du côté du pôle auxiliaire. Les entailles 18 servant de logement aux spires de pôle auxiliaire assurent la division des pôles en arc polaire principal 19 et arc polaire auxiliaire 20, ce dernier étant de nouveau égal ou inférieur à 1/5 du pas polaire. L'entrefer est de nouveau élargi selon l'analyse harmonique du champ, au-dessous des cornes 21 de pôle principal, sur les plages 22 correspondant à 600é1 à partir des lignes neutres 17. Le rotor a un diamètre de 74 mm et comporte 38 encoches. REVEND I C & IONS 1 - Moteur à enroulement en court-circuit, symétrie centrale, enroulement concentrés sur les pôles saillants et entrefert partiellement élargi, caractérisé en ce que l'arc du pôle auxiliaire est égal ou inférieur à 1/5 du pas polaire et l'entrefer est déterminé à partir d'une valeur constante, au moyen de l'analyse harmonique du champ résultant de la caractéristique couple-vitesse, selon l'équation pour les moteurs à plaque de fermeture et ceux sans plaque de fermeture, dont la ligne neutre, produite par la fente séparant les extrémités des cornes polaires ou l'étranglement magnétique sur les moteurs à entretoises découpées, fait avec l'axe polaire un angle plus faible du côté du pôle auxiliaire que du côté du pôle principal. 2 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la base de la corne du pôle principal est égale à environ 1/3- 1/4 de son arc polaire et que la corne du p81e principal est lunée et continûment décroistante. 3 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'induction dans la corne polaire ne dépasse pas 18000 gauss pour une induction d'environ 14000 gauss dans la culasse et d'environ 4000 gauss dans l'entrefer. 4 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la profondeur de l'entaille représentant l'étranglement du pont magnétique produit à vide un flux de dispersion égal à 9-15% du flux total. 5 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élar gissement maximal de l'entrefer sous le pôle principal se situe à 30 1 du pas polaire, à partir de la ligne neutre. 6 - Moteur selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que l'élargissement maximal de l'entrefer suivant l'arc du pôle principal est de l'ordre de 100 %. 7 - Moteur selon les revendicatiqns 1, 5 et 6, caractérisé en ce que l'élargissement de l'entrefer suivant l'arc du pôle principal s'étend sur un arc polaire d'environ 60 1 à partir de la ligne neutre. 8 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer est élargi aussi sous l'arc du pôle auxiliaire, au milieu duquel se situe son maximum. 9 - Moteur selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les élargissements des entrefers sont réalisés en arc de cercle, représentant une approximation des valeurs calculées. 10 - Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nombre d'encoches du rotor est augmenté en fonction de son diamètre, pour atteindre 20 et plus pour un diamètre de 30 mm, 22 et plus pour un diamètre de 38 mm, 28 et plus pour un diamètre de 45 mm et 32 et plus pour un diamètre de 55 mm. 11 - Moteur selon la revendication 10, caractérisé par des encoches ouvertes.