Brevet FR2275055A1 — publié le 19760109

La présente invention concerne les moteurs à courant continu sans balais et a trait notamment à de tels moteurs équipés d'un rotor électromagnétique. Les moteurs à courant continu sans balai deviennent de plus en plus rentables par rapport aux moteurs à courant continu classiques. Ils coûtent encore un peu plus chers que les moteurs classiques mais leur coût est bien compensé par une performance supérieure. Il est possible de réaliser des moteurs à courant continu sans balais dont la puissance peut aller jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts et dont l'efficacité est supérieure à celle de n'importe quel moteur de nênes dimensions. D'autres avantages de ces moteurs sont l'absence de l'usure du collecteur et du crachement aux balais et les problèmes associés, un moment de rotation élevé de l'arbre par rapport au poids du moteur, un moyen convenable de régulation de vitesse qui permet également de naintenir une efficacité élevée du moteur sur une large gamme de moments de rotation.Ces moteurs trouvent actuellenent des applications dans le domaine aérospatial et pour -des appareils fonctionnant sur piles, dans lesquels il est important d'assurer une haute efficacité, une haute fiabilité et une faible consommation de courant. Il se peut toutefois qu'une fois perfectionné ils trouvent des applications dans l'industrie. En outre, les moteurs. à courant continu sans balais peuvent se prêter bien aux véhicules électriques grâce à la possibilité de contrôler de maniére simple et efficace la vitesse. Un moteur à courant continu sans balais utilise un co- mutateur électronique pour connecter chaque bobine du moteur à la source de courant continu et la déconnecter au bon moment et avec la polarité correcte. Les dispositifs semi-conducteurs qui commu- tent les courants du moteur sont commandés par un détecteur de la position de l'arbre. Un tel commutateur électronique n'est pas sujet aux restrictions imposées aux collecteurs des moteurs à courant continu classiques. Une caractéristique importante du commutateur électronique est qu'il est capable de commuter des charges inductives. Cela permet de commuter les courants dans les bobines du moteur pendant qu'ils sont en dehors de la zone neutre du champ magnétique.Un autre avantage est que chaque bobine de l'enroule ment du moteur peut être commuté individuellement sans être connectée à d'autres bobines de manière classique. Cela permet d'utiliser plusieurs séquences de commutation et des circuits simples de commutation. Il ntest pas nécessaire que les bobines du moteur conduisent du courant à tout moment, comme c'est le cas dans les moteurs classiques, mais seulement pendant le passage dans le champ fortement magnétique. 11 en résulte une efficacité plus élevée et une température de fonctionnement plus basse. Dans les moteurs à courant continu classiques il n'y a pas de courant circulant dans le rotor. Dans ces moteurs classiques le champ magnétique est créé par des aimants permanents montés sur le rotor. Les bobines demDteur à commuter sont montées sur le stator. Cela est l'inverse des moteurs à courant continu classiques dans lesquels les bobines de champ sont montées sur le rotor, tandis que les aimants permanents sont montés sur le stator. L'incon- vénient de la construction classique des moteurs à courant continu sans balais est qu'il est difficile de fabriquer de manière rentable de gros moteurs en raison du coût élevé du rotor à aimants permanents. I1 y a donc lieu d'éviter la nécessité d'utiliser un rotor à aimants permanents, ce qui permettrait de réduire le poids et le coût du rotor.Une réduction de son poids entrasse une amélioration du rapport moment de rotation/poids et de l'efficacité du moteur. Un tel moteur électrique pourrait alors être utilisé pour entrarner les véhicules ou pour actionner les volets et les portes d'avions. D'autres applications apparaîtraient si un tel moteur était à la disposition de l'industrie. En conséquence un but de la présente invention est de réaliser à moindre prix un moteur à courant continu sans balais. Encore un but de la présente invention est de réaliser un moteur à courant continu sans balais qui est efficace et qui présente un rapport élevé entre le moment de rotation et le poids. Pour atteindre ces buts conformément à la présente invention on fait en sorte que le rotor d'un moteur à courant continu sans balais est constitué par un électroaimant excité par l'intermédiaire d'un transformateur dont ltenroulement primaire est monté sur le stator, tandis que l'enroulement secondaire est monté sur le rotor. Le courant continu contrôlé est converti en courant al ternatif et envoyé aux enroulements primaires fixes d'ou il est couplé par induction à l'enroulement secondaire rotatif monté sur le rotor. Le courant alternatif circulant dans l'enroulement secondaire est redressé pour obtenir un courant continu qui est appliqué à la bobine de champ du rotor. De la sorte, un courant continu contrôlé excite la bobine de champ du rotor sans la nécessité d'utiliser des balais. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation préféré d'un moteur à courant continu sans balais conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est un schéma de principe du moteur représenté sur la figure 1. On décrit maintenant un mode de réalisation particulier de la présente invention représenté sur les figures. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées en ce qui concerne la formeet la disposition des divers éléments pour adapter le moteur à des conditions de fonctionnement spéciales. Le mode de réalisation représenté est par conséquent donné uniquement à titre d'exemple et ne limite nullement la portée de l'invention qui sera mieux comprise d'après le schéma de principe représenté sur la figure 3. Sur les figures 1 et 2 on voit un carter cylindrique creux de moteur 10 muni de plaques d'extrémité 11 et 12 qui supportent un rotor 13 monté sur un arbre 14 pouvant tourner de manière classique dans des roulements 15. Le rotor 13 est constitué par une partie de section rectangulaire de arbre et porte quatre pièces polaires 16 en fer doux autour desquelles sont enroulées des bobines d'excitation 17. Un noyau de ferrite 18 en forme de cuvette, monté sur l'extrémité de l'arbre 14, comporte une saillie cylindrique centrale de sorte qu'une coupe transversale à travers le centre dans n'importe quel plan a la forme d'un E. L'enroulement secondaire 19 d'un trans formateur est enroulé autour de cette saillie centrale et est connecté aux bobines d'excitation par l'intermédiaire d'un redresseur à diodes en pont monté dans une cavité 20 du rotor. Une cavité vide 21 est prévue en face de la cavité 20 afin de maintenir l'équilibre du rotor. Monté en face du noyau 18 et sur la plaque d'extrémité 12 se trouve un deuxième noyau en ferrite 22 en forme de cuvette, la saillie cylindrique centrale de ce noyau étant bobiné d'un enroulement primaire 23. Cet enroulement primaire est commandé par un montage électronique 24 comprenant un oscillateur 25 et un amplificateur de puissance 26, comme représenté sur la figure 3 à l'intérieur de la ligne en traits interrompus 30 qui indique le côté primaire d'un convertisseur continu-continu. Le côté secondaire du convertisseur est monté sur le rotor et est indiqué globalement par la ligne en traits interrompus 31. Un noyau 27, monté sur le carter 10 et de ce fait fixe, comporte des fentes 28 (figure 2) destinées à recevoir des bobines 29, ces dernières et les bobines d'excitation 17 du rotor n1 étant désignées que schématiquement sur la figure 1. Le matériau du noyau entre les fentes est façonné pour former des pièces polaires disposées très près des pôles du rotor. La procédure à suivre pour poser les bobines est comme suit. Des bobines individuelles 29 sont insérées dans une paire de fentes espacées d'une distance égale ou légèrement inférieure à un pôle du rotor. Chaque côté de la bobine remplit seulement une moitié de la fente tandis qu'un côté d'une autre bobine remplit le reste de la fente. Ainsi on évite les connexions encombrantes aux extrémités.Du fait que les côtés de deux bobines partagent une fente commune, le nombre de bobines est égal au nombre de fentes. Le nombre de fentes dépend de beaucoup de facteurs tels que les dimensions du moteur, le nombre de pôles du rotor, le genre d'enroulement et du collecteur, les caractéristiques de fonctionnement recherchées etc. De petits moteurs ne comprendront que deux pôles de rotor, tandis que de plus grands moteurs comprennent davantage de pôles afin de réduire la longueur des connexions d'extrémité et l'épaisseur de l'étrier. Dans pratiquement tous les moteurs à courant continu sans balais, le nombre de fentes est multiple du nombre de pôles pour assurer un traitement égal de tous les pôles. Sur la figure 2 on représente par exemple quatre pôles et huit fentes. Sur la figure 3 on voit que les éléments montés sur le stator, à savoir ceux entourés par une ligne en traits interronpus 30, et les éléments montés sur le rotor, à savoir ceux entourés de la ligne en traits interrompus 31, constituent un convertisseur continu/continu, le noyau du transformateur étant réalisé en deux moitiés 18 et 22 avec un faible entrefer. L'enroulement primaire du transformateur est excité par l'oscillateur 25 fonctionnant à une haute fréquence, de 10 kHz par exemple. La sortie de l'oscillateur est amplifiée par l'amplificateur de puissance 26. La conbinaison de cet oscillateur et de l'amplificateur de puissance assure une haute efficacité de transfert.Le courant alternatif induit dans l'enroulement secondaire 19 est redressé par un redresseur à diodes en pont 32 et appliqué aux bobines de champ du rotor qui sont enroulées sur les pièces polaires 16 de façon a présenter les polarités représentées. Les bobines 29 du stator sont excités par un courant continu provenant d'une source 33 commandée par un commutateur électronique 34. La fonction de ce commutateur électronique est d'établir ou de couper l'alimentation de chaque bobine de moteur en courant continu au bon moment avec la polarité correcte. Il est constitué d'un détecteur de la position de l'arbre et d'interrupteurs d'alimentation. Si le moteur doit répondre à des conditions spéciales, on peut envisager des interrupteurs ou des circuits logiques numériques entre le détecteur et les interrupteurs d'alimentation. Une telle condition est la réversibilité de marche. Un moteur sans balais n'est pas automatiquement reversible comme un moteur à courant continu classique parce que le commutateur électronique n'est pas forcément bilatéral. Le détecteur de la position de l'arbre envoie une série de signaux représentant la position de l'arbre à tout moment. Puisque le détecteur doit fonctionner sur toute la gamme de vitesses du moteur, le signal doit être indépendant de la vitesse du moteur. Pour la plupart des moteurs la résolution et la précision du détecteur de position ne sont pas très critiques, du fait qu'ils ont peu d'influence sur le rendement du moteur. Les détecteurs de position actuellement employés sont ordinairement constitués d'un élément apte à produire un signal qui est capté par un certain nombre de récepteurs disposés à des positions angulaires autour de l'arbre et transformé en signaux électriques. Divers détecteurs de position ont été développés, voir par exemple les brevets américains nO 3 331 005 et 3 453 512. A l'exception du convertisseur continu-continu utilisé pour exciter les bobines de champ, le moteur décrit ci-dessus est analogue au moteur à courant continu à commutation électronique dans lequel des bagues collectrices et des charbons servent à exciter les bobines de champ. La régulation de la vitesse ou du cou plé peut être effectuée en règlant le courant continu appliqué aux bobines du stator par l'intermédiaire du commutateur, mais est effectuée de préférence en réglant l'amplitude du courant alternatif appliqué à l'enroulement primaire 23 du convettisseur continu/continu. A cet effet on peut faire en sorte que l'entrée de l'amplificateur de puissance soit réglée à l'aide d'un potentiomètre par exemple ou que le gain de l'amplificateur soit réglé. Dans certains cas il se peut que ce réglage soit mieux effectué par réglage de la fréquence de l'oscillateur en jouant sur la tension. R EV E N D I C A T I O N S 1. Moteur à courant continu sans balais comprenant une bobine commutée par voie électronique pour exciter les pôles du stator, caractérisé en ce qu'il comprend un rotor comportant des pièces polaires en fer doux autour desquelles sont enroulées des bobines de champ, un transformateur dont l'enroulement primaire est monté fixe sur le stator tandis que son enroulement secondaire est monté sur ledit rotor, une source de courant continu, un dispositif destiné à convertir le courant continu en courant alternatif, un dispositif destiné à appliquer le courant alternatif à l'enroulement primaire de façon qu'il soit induit dans l'enroulement secondaire, un dispositif connecté à l'enroulement secondaire et destiné à redresser le courant alternatif induit dans l'enroulement secondaire et un dispositif destiné à appliquer le courant redressé par le dispositif de redressement aux bobines de champ du rotor. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur comprend un premier noyau en forme de cuvette comportant une saillie centrale autour de laquelle est enroulé l'enroulenent primaire, ce premier noyau étant monté sur la plaque d'extrémité d'un carter du moteur dans une position décalée de 1' extrémité de l'arbre sur lequel tourne le rotor, et un second noyau en forme de cuvette comportant une saillie centrale autour de laquelle est enroulé ltenroulement secondaire, ce noyau étant monté sur ltextrémitévde l'arbre de façon que sa saillie centrale soit en face de la saillie centrale du premier noyau en forme de cuvette. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif destiné à convertir ledit courant continu en ledit courant alternatif appliqué à l'enroulement primaire est constitué d'un oscillateur. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif destiné à appliquer ledit courant alternatif à l'enroulement primaire est constitué par un amplificateur. 5. Moteur à courant continu sans balais, caractérisé en ce qutil comprend un rotor tournant autour d'un axe et comportant des pièces polaires en fer doux disposées autour dudit axe, des bobines de champ étant enroulées autour desdits pôles, un stator entourant ledit rotor autour dudit axe, un carter supportant ledit stator et un arbre supportant le(lit rotor de façon 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le transformateur comprend des enroulements primaire et secondaire, un premier noyau en forme de cuvette comportant une saillie centrale autour de laquelle est enroulé ltenroulement primaire ce premier noyau étant monté sur une plaque d'extrémité d'un carter dudit moteur dans une position en prolongement de l'extrémité d'un arbre sur lequel tourne le rotor, et un second noyan en forme de cuvette comportant une saillie centrale autour de laquelle est enroulé l'enroulement secondaire, ce second noyau étant monté sur l'extrémité dudit arbre de façon que sa saillie centrale soit en face de la saillie centrale du premier noyau en forme de cuvette. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif destiné à convertir ledit courant continu en ledit courant alternatif appliqué à l'enroulement primaire est constitué d'un oscillateur. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif destiné à appliquer le courant alternatif à l'en- roulement primaire est constitué par un amplificateur.