Brevet FR2198296A1 — publié le 19740329

L'invention concerne une machine électrique, en particulder un moteur à courant continu, comportant un anneau de retoun du flux em fer, dans lequel sont disposés au moins deux aiman@s permanen@s en farme de segments eirculaires qui se font face et un induit bobiné, tournant dans le système magnétique ainsi constitué, ayant un pas pair d'encoches. Dans les moteurs de ce genre, il se produit, lors de la rotation de l'induit9 des variations de la conductance et du flux d@es à la fréquence plue simple et double des encoches dans ie circuit magnétique, de sorte que certaines pièces du moteur sort amenees à vibrer, ce qui fait que le fonctionnement est bruyant. Pour maintenir ce bruit dans des limites déterminées, en a déja paurvu l'induit du moteur d'un nombre impair d'encoches pour condocteurs, les amplitudes des variations du flux étant airs faibles, mais se produisant cependant, avec la fréquence double aes encoches.Avec un tel induit, il vient se placer, presque à chaque phase de la rotation de l'induit, sous chacun des pales qui se font face, un nombre différent d'encoches de l'inouit. Grâce a cette disposition, on a pu sans doute obtenir une certaine aiténuation du niveau sonore, toutefois, on n'a pas pu arriver à un résultat satisfaisant dans tous les cas, de sorte que l'in a at faire appel à d'autres dispositions mécaniques, teiies que par exemple, des amortisseurs de vibrations. De plus, la fabrication d'on induit où les encoches sont en nombre impair, se mntre défavorable du point de vue des te niques de fabrication.On ne fait, en conséquence, appel à cet te dispositier q ue si les mesures mécaniques d'amortissement d bruit ne suffisent pas à elles seules pour satisfaire les exigences posées a poiny de vue du bruit en marche. Si l'rn peur fabriquer, pour un prix avan tageux, un indu + cù le nombre des encoches est par mais les variations de condu@tance et de de fux se produisent toutefois sy- métriquement er, par suite, en phase sous chaque pôle, de sort que ces variations s'adajtionnent, e provoquent la formation de pulsions de flux parti@ulièrement impertantes dans tout l'ensemble du circuit magnélique.Pour amertir les bruits de fonctionnement particulièrement importants dans un moteur où le nombre d'encoches de l'induint est pa@r, @@ a essayé de limiter les forces magnétiques entye l'anduir e@ le stater en donnant à l'induction une aliure @sints @da@e. On a bien pu ainsi neutralisser la composante radiale de la fores de l'induit, au prix d'une dé- térioration du rendement, mais non la composante tangentielle de la force de l'induit, qui comme moment anti-rémanent, rend plus difficile la marche de l'induit. Pour amélioren@ le rendement, on a proposé différentes mesures, ccmme par- exemple le choix d'un chevauche- ment important des p@les, l'utilisation de matière magnétique à haute rémanence, la limitation de la fente d'air au minimum de ce que l'on peut obtenir mécaniquemen ma saturation la plus faible possible des pièces en fer du circuit magnétique, un système magnétique ie plus possible exempt de dispersion, et la séparation de l'armature de retour sur les pôles magnétiques.Si l'on tient compte de toutes ces notions, on ne peut, au point de vue économique, obtenir qu.'ur rendement optimal déterminé, car ces différents facteurs exigent, pour partie, d'importantes augmentations des coAuts. L'invention a pour but de réaliser un moteur du type cité en commençant, dont la conception soit optimale, aussi bien au po nt de vue électrique que mécanique, de fa çon à garantir un minimum de bruit de fonctionnement, et en mar che, un rendement le plus élevé possible, sans que les frais de fabrication en soient augmentes. Â cet effet, l'invention est caractérisée en ce que le chevauchement des pêles se monte à un multiple entier du pas dentaire pair, et que le moteur est conçu pour le facteur f @ 1/1+K en dessous de la limite (z/a.p. #), où le moteur passe de l'état moteur à l'état de générateur. I est essentiel ici que le chevauchement des piles se situe dans une tolérance de f 20 % du pas des encoches. En mle de diminuer le bruit de fonctionnement du moteur, on prévoit, dans un perfectionnement de l'invention, que l'allure de l'induction s'établit, sur les cornes polaires, avec une symétrie spéculaire par rapport à la moitié de la valeur maximale. Pour augmenter encore le rendement, il est prévu suivant l'invention, que le rac eurcissement de l'enroule- ment est au moins approximativement égal à la hauteur du paquet d'induit. Si la conception du moteur demande un che vauchement des pales, particulièrement important, il peut y avoir avantage à ce que le chevauchement des piles soit constitué par une paire de segments d'aimants permanenta. La description ci après et les dessins annexés se rapportent à un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels t - les figures la et lb donnant les deux positions extrêmes de l'induit par rapport aux piles du champ quand le chevauchement des piles est choisi arbitrairement, - la figure 2 représente l'allure cosinu soIdale de l'induction que l'on a recherchée jusqu'ici pour diminuer le bruit, - la figure 3 représente une allure de 1t- induction telle quelle est établie dans le moteur suivant l'in- vention, la figure 4 représente l'allure de ltin- duction suivant la figure 3, qui est formée sur les cornes polaires en symétrie spéculaire par rapport à la moitié de la valeur maximum, - la figure 5 montre la relation entre le rendement et la puissance fournie par le moment de rotation du moteur - la figure 6 représente l'allure de la vitesse de rotation et du courant en fonction du moment de rotation du moteur, - la figure 7 représente ltallure du maximum de rendement, et l'allure de la valeur optimum z/a.p. en fonction du facteur de perte. Dans la plupart des cas, dans les moteurs connus où l'on a choisi arbitrairement le nombre d'encoches et l'écartement polaire, on peut trouver deux positions de l'induit pour lesquelles la conductance magnétique entre le pôle excitateur et l'induit atteint un maximum et un minimum (figures la et lb). Dans ces deux figures, on a représenté schématiquement les deux positions de l'induit pour les extrême3 de la conductance; on constate que si l'on néglige le champ en étoile, dans le cas de la figure 1a, la conductance est déterminée par trois dents d'induit, et dans le cas représenté par la figure lb, par deux dents d'induit.Si l'induit courne, il se produira donc, sous le pile, des variations de flux qui entratnent une sollicitation de forces récipreques antre le pêle et l'induit, et qui fournis sent des composantes de forces dans la direction radiale et dans la direction tangentielle. Si la distr@bution de l'induction est purement cosinuso@dale, cimme on le préveyait jusqu'ici pour diminuer le brait, et comme il est représenté dans la figure 2, le chevauchement des p@les se monte à En conséquence, il n'est done pas possible de trouver un pas dentaire qui soit contenu un nombre entier de fois dans le nombre deux aussi bien que dans la oirdonférence de l'induit 2 Pour arriver au chevauchement des pôles i1, pour lequel es forces polaires disparaissent, l'allure cosinusoïdale de l'induction doit être, eu aplatie, ou élargie (figure 2). Il apparait iol que, pour l'allure cosinusoïdale de l'induction, les forces radiales ne disparaissent que si le nom tre d'encoches est par.Les forces tangentielles se manifestent comme moment d'anti-rémanence, rendent fréquemment difficile la mise en marche dans les petits moteurs, et sont cause de ce que la marche du moteur n'est pas calme. Pour le moteur suivant l'invention, dans lequel le chevauchement des pôles est un multiple entier du pas dentaire pair, l'allure de l'induction est représentée dans la figure 3. Suivant cette illustration, l'exigence du pas dentaire pair comme chevauchement des pôles est remplie, et la compensation des forfces radiales est assurée. Toutefois, dans des mo- teurs conçus de cette façon, des moments d'anti-rémanence se font encore sentir.Seulement avec une allure de l'induction conforme à la figure 4, dans laquelle l'écart de ia moitié de la valeur maximum de l'induction se trouve ainsi en un multiple entier du pas dentaire, les composantes tangentielles peuvent être aussi amenées à disparaître, Le mode de réalisation des cornes polaires pourrait être recherchée par exemple expérimentalement. Dans les figures 3 et 4, les dents d'induit portent également les chiffres références 10, et la distance ss i correspond au chevauchement des pôles da moment.Si le moteur a des dimensions qui, dans le principe de la construction (nombre d'- encoches, chevauchement des pôles, allure de l'induction dans la fente d'air, correspondent à ce qu i est illustré dans la figure 4 et décr@@t, on est assuré qu'il se produira, au cours de la marche du meteur, 'n minimum de bruits magnétiques, de moments d'antierémanen@e et de vibrations. Avet une conception électriquement plus favorable, il y a lieu aussi de veiiler à ce que, le moment de rotation augmentant, :1 exiete une grandeur des moments des moteurs pour laquelle la conception du moteur à courant continu doit résulter seulement des peints ae vue thermiques, mais plus des points de vue magnétiques, Ces directives différentes de conception peuvent être rendues plus claires encore par les deux relations du rendement e+ de la puissance fournie avec le moment du moteur. Il apparaît i.c que le maximum de rendement (Point I), ne coin- cide pas avec le maximum de puissance fournie (point II), c'est à-dre que si le moteur travaille au maximum de rendement ( @ I), ce moteur doit être con@@ pour M1 et fournira la puissance P2I. Si l'@n se base eur des considérations purement magnétiques, un moteur de te volume, si l'on donnait au moteur les dimensions nécessaires pour le maximum de puissance (Prit II), est en état de fournir la puissance P2II. Le rendement n II serait toutefois aussi, à ce point du fonctionnement, très faible et la perte serait importante. En raison de la relation entre la dissipation de puissance et la surface de refroidissement effe@tive, d'une part, et les dimensions de l'induit d'autre part, on aurra, précisément dans les petits moteurs, quand le côté économique vient en premier, tendance à se tourner vers le point li au lieu de P21.A partir d'une dimension de moteur déterminée, le maximum fie puissance thermiquement admissible coïnoide avec le maximum de rendement et correspond, en conséquence aussi. à l'optimum éctnomique. En se basant sur les carac térlstiqueq d @ourant et de la vitesse de rotation I = f(M) et n . f(M), qui fournissent les caractéristiques essentielles pour les dimensiors à denner à un motur, on peut établir des diagrammes d'@ptimisation. La fonction courant et vitesse de rotation peum être représentés @omme sur : I =1/RA (U-2 UB - 1, 66.10-2 . z a. p. # . n) (1) I et (A), RA sont en (#), UB en V, # en Wb, n en t/mn, M en omN. RA @ résistance de l'induit, UB - chute de tensicn aux balais sur un balai. On obtient ainsi une certaine valeur z/a. p. #, qui doit être réalisée pour une RA et une UB déterminée, si l'on pose des exigences déterminées pour le moment et la vitesse de rotation. D'atrès l'équation (2) on peut se rendre compte de ce que la fonction M = f (z/a . p. #) représente une parabole qui comporte un maximum et deux passages à zéro. En partant d'un tracé rectiligne de la relation entre la vitesse de rotation et le courant, d'une part, et le moment d'autre part, et de la constance des pertes dans le domaine de la vitesse ae rotation, on peut représenter (f i- gure 6), pour les moteurs à aimants permanents, la vitesse de rctation et le courant d'après les valeurs de court-circuit MK = moment de court-circuit IK = courant de court-circuit, et les valeurs de marche à vide du moteur nL = vitesse de rotation en marche à vide IL = courant de marche à vide Suivant le tracé de la figure 6, on a n = nL (t - M/MK ) (3) La puissance absorbée par le moteur est La puissance dont on dispose à l'arbre du moteur est Le rendement est Le moment Mont' pour lequel le rendement atteint son maximum, s'botient, quand l'équation (7) dérive de M, est posée égale à zéro et est résolue d'après N. On obtient alors Le rendement maximum à ce point est les valeurs de marche à vide et de courtcircuit s'obtiennent d'après les équations (1) et (2) pour N = N (moment de perte) et n = O Le moment théorique Mn pour la vitesse de rotation théorique n est alors ; Des équations (8), (10), (11) et (12), on peut déduire une résistance déterminée de l'induit RA opt' quand le moment théorique maximum doit coïncider avec le moment théo Si l'on introduit comme réduction k = Mv/M , on obtient pour la résistance del induit une valeur n RA opt' qui doit toutefois satisfaire aussi la corrélation suivant l'équation (14), afin que le moteur conserve, pour le moment théorique, sa vitesse de rotation théorique. De l'équation (14), on tire l'équation de condition de ltéquation de condition, on tire finalement l'expression Quand les pertes augmentent en fonction de la vitesse de rotation, le moteur doit toujours être conçu et fonctionner en s'éloignant plus encore du second passage à zéro de la parabole de moment. La résistance optimum de l'induit à ce point est alors : et le rendement maximum que l'on pourra obtenir sera La figure 7 montre le. rapport suivant l'équation (19) et le maximum de rendement suivant l'équation (21) en fonction du facteur de perte k. Il est établi de cette façon qu'un moteur, seil doit fonctionner à son maximum de rendement, doit être con ça avec une valeur z/a . p . qui est éloignée du facteur 1/1+K du second passage à zéro du maximum (z/a . p . ) max de la parabole du moment. Si un moteur possède par exemple un moment de perte en fonction de la vitesse de rotation de 20 % du moment théorique (k = 0,2), il doit alors être conçu à peu près 17 % en dessous du second passage à zéro de la parabole du moment. Comparer à ce sujet; la ligne 15 de la figure 7. D'après les explications précédentes, il est ainsi possible d'atteindre, avec un minimum de matière mise en oeuvre, une configuration du circuit magnétique qui don- ne un minimum de bruit et de vibrations pour un rendement maxi- mum du point de fonctionnemenJ. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'in- vention. R V E N D I C A T I O N S 1. - Machine électrique, en particulier moteur à courant continu comportant un anneau de retour du flux en fer, dans lequel sont disposés deux aimants permanents en forme de segments circulaires, et un induit bobiné, tournant dans le système magnétique ainsi formé, caractérisé en ce que le chevauchement des pôles se monte à un multiple entier du pas dentaire pair, et que le moteur est conçu pour le facteur f = en dessous de la limite (z/a.p. ), où le moteur 1+x passe de l'état moteur à l'état de générateur. 2.- Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le chevauchement des pôles se situe à l'intérieur d'une tolérance de + 20 % du pas dentaire. 3.- Machine suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'allure de l'induction sur les cornes polaires est établie en symétrie spéculaire par rapport à la moitié de la valeur maximum. 4.- Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le raccourcissement de l'enroulement est au moins approximativement égal à la hauteur du paquet d'induit. 5.- Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le chevauchement des piles est constitué par une paire de segments d'aimants permanents.