Brevet FR2230107A1 — publié le 19741213

La présente invention concerne les machines tournantes électriques, et notamment parmi celles-ci les moteurs électriques à courant continu, particulièrement ceux dits à commutation élec- tronique ou sans balais. Toutefois, la portée de l'invention ne se limite pas à ce type de moteurs et elle s'étend aux moteurs synchrones à courant alternatif, aux moteurs pas à pas et même aux alternateurs synchrones polyphasés. Les moteurs classiques à commutation électronique ont généralement la constitution suivante : le rotor est constitue' par un aimant permanent placé autour d'un stator constitue' par deux jeux d'enroulements bobinés sur une carcasse magnétique, l'un des jeux de bobinages servant à la détection et à la commande, tandis que l'autre sert à l'entrainement. Les lignes de force du flux magnétique fourni par l'aimant du rotor passent radialement dans l'entrefer qui le sépare du stator. Cette disposition présente divers inconvénients. L'aimant étant rotatif, il est difficile de le constituer en des matériaux à haute énergie lorsque la vitesse de rotation est élevée, ces matériaux étant relativement fragiles. Surtout lorsque le nombre de pôles est élevé, des fuites magnétiques risquent de se produire, certaines des lignes de force se refermant sans traverser les enroulements de travail. L'invention vise à fournir une machine tournante électrique répondant mieux que les machines antérieures aux exigences de la pratique, notamment en ce que les inconvénients mentionnés cidessus y sont très fortement atténués. Dans ce but, l'invention propose une machine tournante électrique dans laquelle le flux magnétique traverse les entrefers sensiblement parallèlement à l'axe de rotation de la machine. De façon plus précise, l'invention propose notamment une machine tournante électrique comportant un stator et un rotor, le stator comprenant, disposés radialement l'un par rapport à l'autre, un organe fournissant un flux magnétique dirigé parallèlement à l'axe et une carcasse annulaire à haute résistivité radiale portant au moins un enroulement électrique i 2n bobines xhacl.n rl def.tz de d4ip- pement angulaire supérieur ou égal au développement des bobines, réparties régulièrement dans le sens circonférentiel, les dents d'un flasque étant calées par rapport aux dents de l'autre flasque de façon à constituer des pôles de sens opposé de part et d'autre de bobines. Tous les pôles de même signe sont donc portés par un même flasque. Cette disposition donne aux lignes de force dans les entrefers une disposition parallèle à l'axe, évite les fuites magnétiques (puisque les pôles sont chacun d'un côté de la bobine correspondante), conduit à des pertes par courant de Foucault faibles car les flasques tournent dans un champ dont la répartition entre eux reste toujours sensiblement la même, et limite les pièces tournantes à des organes relativement massifs, donc présentant une résistance élevée à la force centrifuge. De plus, le rotor présente un moment d'inertie faible, donc avec un couple de démarrage élevé. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les pôles d'un flasque se trouvent, dans le sens circonférentiel, au milieu de l'intervalle qui sépare deux pôles de l'autre flasque. Les enroulements peuvent alors être constitués avec des spires placées dans des plans pratiquement perpendiculaires au cercle moyen de la carcasse. Cette solution n'est toutefois pas exclusive. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un moteur à commutation électronique qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, ainsi que de variantes de réalisation. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 montre schématiquement le moteur, en couple suivant un plan vertical passant par son axe - la figure 2 est une vue schématique du rotor du moteur de la figure 1, vu. suivant la ligne II-II de la figure i - la figure 3 est un schéma de principe montrant une fraction du développement des enroulements du moteur. Le moteur illustré en figure 1 comporte un carter en deux pièces 2 et 3 solidarisées par des organes non représentés, portées par une embase 4. Dans le carter est monté le stator 5. Le rotor 6 est porté par un arbre 7 qui tourne dans des roulements 8 et 9 portés par les pièces 2 et 3. Les roulements 8 et 9 sont des roulements à précontrainte axiale, permettant de maintenir le rotor 6 centré de façon précise par rapport au stator, car toute déviation par rapport à la position médiane se traduit par l'apparition d'une force axiale de déséquilibre. Le stator 5 comporte une carcasse annulaire 10 portant les enroulements, concentrique à l'arbre 7, à-l'intérieur duquel est placé un aimant annulaire Il. La carcasse 10, les enroulements qu'elle porte et l'aimant 11 peuvent être solidarisés par une imprégnation et un remplissage de matériau 12 amagnétique à résistivité élevée, tel qu'unie résine. Bien que la disposition illustrée en figure 1 apparaisse comme la plus satisfaisante dans la majeure partie des cas, elle peut être inversée, l'aimant 11 étant placé à l'extérieur et la carcasse 10 à l'intérieur. La carcasse 10 peut être constituée en ferrite ou, mieux, en matériau feuilleté. On peut notamment la constituer par un ruban bobiné, par exemple en tôle fer-silicium à faibles pertes ou en tôle fer-cobalt à haut point de saturation et pertes faibles. On peut notamment utiliser un alliage fer-nickel tel que celui connu sous la marque "ANHYSTER". L'aimant Il est choisi pour présenter une énergie élevée. Il est notamment possible d'utiliser un aimant orienté, donc pouvant être à haute énergie. On connait notamment des matériaux orientés du genre désigné par la marque "TICONAL", qui donnent des résultats satisfaisants. La carcasse 10 porte les enroulements de puissance et de détection, décalés électriquement de gO . Dans le cas du moteur représenté, qui comporte quatre paires de pôles, il est prévu huit enroulements de travail 13 répartis à intervalles angulaires de 2# , et un nombre égal d'enroulements de contrôle 8 14 disposés entre les enroulements de travail. Les enrou- lements sont disposés en série ou en parallèle (en série dans la disposition illustrée en figure 3), deux enroulements successifs d'un même bobinage étant parcourus par un courant de sens opposé. Le rotor 6 est essentiellement constitué de deux flasques massifs 15 et 16, identiques, fixés sur l'arbre, par exemple par soudage ou clavetage. Ces flasques sont en un matériau à point de saturation élevé et peuvent être massifs. On peut notamment, pour des moteurs de petite puissance, ies constituer en alliage fer-cobalt du type désigné par la marque AFK 502, vendu par CREUSOT-LOIRE. Le flasque 15 par exemple comporte quatre dents 17, réparties à 90 les unes des autres dans le sens circonférentiel, présentant chacune un développement angulaire supérieur à celui d'une bobine 13 ou 14. Chacune des dents 17 constitue un pâle nord pour la bobine 13 ou 14 correspondante, tandis que chacune des dents 18 du flasque 16 constitue un pale sud. Comme le montre la ligne en trait mixte sur la figure 3, le flux sortant de chaque pale 17 ou 18 se fractionne vers les deux pôles adjacents. Les conducteurs des enroulements 13 placés sous les pôles 17 et 18, donc soumis à une induction magnétique, sont le siège d'une force définie par la loi de Laplace, et par réaction créent des forces de même sens au niveau des pôles 17 et 18.Les dents 17 et 18 ayant un développement angulaire nettement supérieur à celui des enroulements, il n'est pas nécessaire de caler les deux flasques au rotor avec une précision élevée l'un par rapport à l'autre, ce qui constitue un élément d'économie. Le moteur qui vient d'être décrit se prête notamment à une utilisation avec un circuit de régulation du type décrit et revendiqué dans le brevet français nO 70 39856 déposé le 5 novembre 1970 par la Société titulaire de la présente demande, circuit qui exige la présence d'enroulements de contrôle décalés de 900 électriques par rapport aux enroulements de travail. Toutefois, cette disposition n'est évidemment nullement exclusive. A titre d'exemple il peut être indiqué ici qu'un moteur d'une puissance de 20 W à 3000 t/mn a été réalisé suivant la technique ci-dessus définie. Le diamètre du rotor était de l'ordre de 60 mm. L'épaisseur cumulée d'entrefer entre la carcasse statorique 10 et les flasques 15 et 16 du rotor, destinée à livrer passage au cuivre des enroulements, était de l'ordre de 2 mm. Par contre, l'entrefer cumulé entre l'aimant annulaire et les flasques était très faible, de l'ordre de 0,1 mm. I1 faut noter à ce sujet qu'aucune force axiale ne s'exerce sur le rotor dans la mesure où il est exactement symétrique par rapport au stator mais que tout déséquilibre provoque l'apparition d'une force qui tend à l'augmenter. On aura en général intérêt à utiliser pour cette raison des enroulements précontraints. L'invention est susceptible de très nombreuses variantes de réalisation, Par exemple, il n'est pas indispensable que les dents des flasques soient décalées angulairement de 4 . Il 2n suffit que, lorsqu'une dent de l'un des flasques ne trouve face au conducteur parcouru par un courant de sens donné d'un enroulement de travail, les dents de l'autre flasque se trouvent face à des conducteurs parcourus par un courant de sens contraire d'un enroulement de travail. Ce résultat peut être obtenu en plaçant les dents en coincidence angulaire, mais en réalisant un bobinage dont les spires font un angle avec les plans passant par l'axe du moteur.Une autre variante consiste à associer à 1'aimant rotatif annulaire, ou à lui substituer, un électro- aimant, qui peut utiliser 1 axe 7 comme noyau magnétique. Dans ces conditions, on élimine l'entrefer interne, le noyau étant directement en contact avec les flasques. L'arbre peut d'ailleurs dans ce cas être constitué de façon composite et comporter une âme interne entourée par un manchon de perméabilité magnétique élevée. On voit que l'on réalise ainsi une machine tournante qui, lorsqu'elle est utilisée en moteur à commutation électronique, permet d'obtenir un rendement élevé (du fait des pertes réduites), un couple important, et ce avec un coût relativement faible, puisque l'usinage est simple et qu'une précision angulaire élevée dans le calage du rotor n'est pas nécessaire. Cette machine peut également être utilisée en moteur triphasé wnchrme,en prévoyant trois bobinages (au lieu d'un bobinage de travail et d'un bobinage de commande dans le cas du mode de réalisation illustré en figure 3) dont les enroulements sont décalés de 1200 électriques. On peut également en constituer un moteur pas à pas et même un alternateur synchrone. La gamme d'utilisation est par ailleurs très large, la vitesse pouvant être très élevée puisque les pièces tournantes sont massives (une valeur de 650 tours par seconde pouvant être dépassée pour de petites unités). Cette vitesse peut être atteinte même sous vide poussé, c'est-à-dire dans les conditions d'emploi qui sont celles de l'espace. REVENDICATIONS 1. Machine tournante électrique comportant un stator et un rotor, caractérisée en ce que le stator comprend, disposés radialement l'un autour de l'autre, un organe fournissant un flux magnétique ayant des lignes de force sensiblement parallèles à l'axe de la machine et une carcasse magnétique annulaire portrcint aumnnsun bdinage électrique à 2n enroulements (n étant un nombre entier) et en ce que le rotor comprend deux flasques situés chacun d'un côté du stator dans le sens axial, par lequel se referme le flux magnétique dudit organe, comportant chacun n dents d'amplitude angulaire au moins égale au développement des enroulements, les dents étant calées les unes par rapport aux autres de façon à constituer au même instant des pôles de sens opposé face à des enroulements. 2. Machine tournante suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la carcasse est placée autour de organe fournissant le flux magnétique et est séparée de celui-ci par un matériau isolant. 3. Machine tournante électrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les enroulements sont à spires sensiblement perpendiculaires au cercle médian de la carcasse et en ce que les dents d'un flasque sont décalées par rapport aux dents de l'autre flasque dtun angle égal à n/2n. 4. Machine tournante électrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les dents d'un flasque sontplacées en coïncidence angulaire avec les dents de l'autre flasque et en ce que chaque enroulement est placé obliquement de façon que, lorsque les conducteurs radiaux d'un enroulement parcourus par un courant de sens-donné sont face à une dent d'un flasque, les conducteurs radiaux de l'enroulement parcourus par un courant de sens contraire sont face à une dent de l'autre flasque. 5. Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisée en ce que la carcasse est constituée de tôle feuilletée, par exemple enroulée autour de l'axe. 6. Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'organe fournissant le flux magnétique est constitué par un aimant annulaire à aimantation axiale et/ou par un électro-aimant. 7. Machine tournante électrique suivant la revendication 6, caractérisée en ce que ledit électro-aimant comporte un noyau constitué au moins partiellement par l'arbre portant le rotor. 8o Machine tournante électrique suivant la revendication 6, caractérisée en ce que l'aimant est en matériau magnétique orienté à haute énergie. 9. Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par des paliers, tels que des roulements précontraints, portés par un carter dans lequel est monté le stator, paliers maintenant le rotor dans le sens axial dans une position centrée par rapport au stator. 10. Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, utilisable comme moteur à commutation électronique, comportant un jeu de 2n enroulements de contrôle disposés à 900 électriques par rapport aux autres tnrou- lements, ctest-à-dire décalés de