Brevet FR2267649A1 — publié le 19751107

La présente invention concerne une machine électrique à inducteur à aimants permanents, à deux ou plusieurs pôles. Le fonctionnement d'une machine électrique à courant continu résulte de l'action de deux champs magnétiques, l'un produit par l'inducteur et l'autre créé par l'induit. La force magnétomotrice au niveau de chaque voie d'enroulement de l'induit suit habituellement une loi sensiblement linéaire entre deux valeurs extrêmes et de polarités opposées. La force magnétomotrice produite par l'inducteur pout être considérée pratiquement constante pour un entrefer de dimension fixe et san@ l'action du champ d'induit. La combinaison de ces deux champs magnétiques dans la machine entraîne une distorsion globale du flux. Il en résulte un déplacement de la ligne magnétique où s'effectue la commutation électrique dans le bobinage. Par la combinaison des champs magnétiques, chaque pôle de l'inducteur est partiellement soumis à une action démagnétisante du flux. Ces phénomènes conduisent souvent aux principaux inconvénients suivants : une mauvaise commutation et une per-te irréversible de flux qui,- par voie de conséquence, aboutit à une modification des caractéristiques initiales de la machine.Par exemple, une augmentation de l'intensité du courant d'induit, résultant d'une application d'une forte tension aux bornes de la machine ou d'un blocage de l'induit, peut conduire par l'action d'une résultante démagnétisante des champs magnétiques opposés, à une diminution permanente de l'intensité d'aimantation du matériau magnétique constituant l'inducteur. Pour pallior ces incon@@nients une selution connue consiste à limiter le courant d'induit par une récistance ohmique ou par un régulateur électronique, mécanique ou électrique. Une autre solution connue utilise des shunts magnétiques, placés à proximité des pôles de l'inducteur, pour canaliser le flux afin d'éviter ou d'atténuer leur désaimantation. Dans une autre solution connue, les pôles de l'inducteur présentent leur partie à réluctance la plus faible, à la partie du flux de réaction d'induit, la plus intense.Dans cette solution, le pôle inducteur est constitué, soit par une pièce monobloc ayant une forme asymétrique, ctest-a-dire une pièce ayant une partie radialement mince, adjacente à une partie radialement épaisse, soit par deux pièces assemblées c8te à côte, constituées en un matériau magnétique identique, mais ayant des longueurs différentes, afin d'obtenir dans un mee pâle, des zones à réluctances différentes. Toutefois, ces solutions connues ne donnent pas entièrement satisfaction0 Elles sont soit onéreuses, soit peu efficaces.Par exemple, l'inef- ficacité peut provenir d'une saturation des shunts lesquels ne remplissent plus leur rôle dans la canalisation du flux0 La présente invention permet d'éviter ces inconvénients et de réaliser une machine électrique économique, à inducteur à aimants permanents pourvu d'une grande stabilité magnétique, (par exemple aimants céramiques en ferrite) et fonctionnant avec une excellente commutation. Une machine électrique conforme à l'invention, à inducteur à aimants permanents, est caractérisée en ce que les pôles de l'inducteur sont individuellement constitués par, au moins, deux aimants dont l'un est en matériau magnétique à grand champ coercitif, et l'autre est en matériau magnétique à forte induction rémanente et à champ coercitif plus faible que le précédent0 Pour mieux faire comprendre l'invention, on en décrit ciaprès un certain nombre d'exemples de réalisation, illustrés par des dessins ci-annexés dont - la figure 1 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'une machine électrique, à inducteur à aimants permanents, tournant suivant un sens, machine conforme à l'invention, - et la figure 2 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'une machine électrique, à inducteur à aimants permanents, tournant suivant deux sens, machine conforme à l'invention. L'invention est applicable aux machines électriques qui comprennent un inducteur à deux ou plusieurs pâles à aimants permanents, et qui tournent dans un sens ou dans les deux sens. Une machine électrique I conforme à 11 invention, illustrée schématiquement dans la figure 1, tournant dans un sens, comprend un induit 2, un inducteur à 2 pales 3 et 4 et une carcasse 5. Selon une des caractéristiques importantes de l'invention, chacun des pales de l'inducteur est constitué par un assemblage de plusieurs aimants de natures différentes, disposés suivant un ordre déterminé dans la machine. Dans l'exemple illustré à la figure 1, les piles 3 et 4 de l'inducteur sont constitués, chacun, par deux ai riants 6 et 7 de propriétés magnétiques différentes.L'aimant 6 est en matériau magnétique à grand champ coercitif, tandis que l'aimant 7 est en matériau magnétique ayant une induction rémanente élevée et un champ coercitif réduit. l'aimant 6 a, par exem- ple, un champ coercitif de l'ordre de 4000 à 4500 oersteds et une induction rémanente approximative de 3200 à 3400 gauss environ0 Par contre, l'aimant 7 a une induction rémanente de 3600 à 3800 gauss environ et un champ coercitif de l'ordre de 3000 à3500 oersteds. L'aimant 6 est disposé dans la zone où la résultante démagnétisante des champs inducteur et de réaction d'induit, est la plus fortes On sait que les grandeurs magnétiques à l'intérieur d'un circuit magnétique comportant un aimant permanent sont largement modifiables et de façon réversible sous l'action d'un champ extérieur.Ainsi la position de travail d'un aimant, caractérisée par le point de concours en représentation graphique, entre la droite dé perméance et le cycle d'hystérésis peut être déplacé sur cette dernière. Cependant, la non-linéarité de l'intensité d'aimantation particulièrement élevée au voisinage du champ coercitif occasionne une perte irréversible. En effet, après suppression du champ magnétique extérieur opposé ou inverse, le point de fonctionnement de aimant remonte sur une droite de recul intérieure au cycle d'hystérésis majeur. Pour un aimant permanent de haute coercivité il est possible d'annuler ou d'inverser la valeur de l'induction de façon temporaire et dans certaines limites sans modifier les caractéristiques disponibles après saturation du matériau. Selon l'invention, l'aimant 6 constitué en matériau magnéti- que à grande coercitivité assure une bonne stabilité du flux dans la machine. Cependant, dans un matériau magnétique, une amélioration des propriétés de coercitivité entrasse habituellement un déplacement des autres caractéristiques, en particulier une diminution de l'induction rémanente. Si l'inducteur est entièrement réalisé en matériau magnétique de grande coercitivité, il est difficile de compenser l'insuffisance du flux, car un agrandissement de l'angle polaire de l'inducteur peut bien augmenter le flux, mais soumet davantage les extrémités de ce dernier à une intense action démagnétisante du champ de réaction d'induit. L'élément complémentaire de l'aimant 6 constituant le pôle inducteur est un aimant 7 déjà décrit dans un paragraphe précédent. Cet aimant 7 constitué en matériau magnétique à forte induction rémanente et à champ coercitif moyen est disposé dans la zone où la force magnétomotrice d'induit est minimale. Cet aimant 7 apporte une augmentationfPP Wu lux inducteur par rapport au flux engendré par un aimant ayant une dimen sion identique à l'aimant 7, mais constitué en matériau magnétique à grand champ coercitif. Il en résulte une plus grande force électromotrice. Pour des caractéristiques équivalentes de fonctionnement de la machine, une plus grande force électro- motrice permet une réduction avantageuse de la quantité de cuivre utilisé dans la réalisation de ladite machine. Dans la construction des pôles d'inducteur de la machine électrique 1, l'utilisation d'un aimant 6 en matériau magnétique à haute coercitivité et d'un aimant 7 en matériau magnétique à forte induction rémanente et à champ coercitif moyen , disposés respectivement dans les zones à forte résultante démagnétisante des flux et à force magnétomotrice d'induit minimale, permet principalement, d'une part, de simplifier la structure de cette machine électrique par suppression des pièces métalliques servant habituellement de shunts magnétiques, tout en assurant une bonne stabilité du flux inducteur malgré une éventuelle action démagnétisante de réaction d'induit particulièrement forte provoquée soit par un blocage momentané de l'induit soit par une application d'une tension trop forte aux bornes de la machine, et d'autre part, d'obtenir un flux total élevé permettant d'économiser une quantité appréciable de cuivre utilisé dans la construction de la machine Dans la figure 2 est illustrée schématiquement, une autre machine électrique bipolaire 8 conforme à l'invention. La machine 8 tourne dans les deux senso Chacun de ses pôles inducteurs comprend un aimant central 9 en matériau magnétique à forte induction rémanente par exemple 3600 - 3800 gauss, et à champ coercitif moyen de l'ordre de 3000 à 3500 oersteds, et deux aimants latéraux 10, constitués en matériau magnétique à grand champ coercitif de ltordre24000 à 4500 oersteds.Cette structure symétrique des pâles de l'inducteur permet de présenter constamment, à la partie du flux où la résultante démagnétisante est la plus forte, quel que soit le sens de rotation de la machine, un aimant 10 en matériau magnétique à grand champ coercitif. Grâce à cette structure, la machine 8 a une grande stabilité de flux inducteur et fonctionne dans d'excellentes conditions dans les deux sens. Dans la plupart des machines électriques connues, une distorsion plus ou moins grande du flux, créée habituellement par la réaction d'induit, nécessite un calage des balais sur la ligne magnétique déplacée par rapport à la ligne neutre géométrique0 Dans la machine électrique 8 de l'invention, grâce à une structure particulière et symétrique de chacun des pâles de 1' induc- teur, il se produit une si faible distorsion du flux qu'un décalage des balais ntest plus nécessaire, ce qui donne à la machine la possibilité de tourner dans les deux sens avec une bonne commutation. Le niveau de parasites dus à la commutation est par conséquent réduit au minimums Les autres avantages de la machine électrique 8 sont analogues à ceux de la machine décrite dans les paragraphes précédents. Dans la machine électrique 8, l'aimant central 9 de chacun des pôles inducteurs peut être constitué par un assemblage de plusieurs éléments en matériau magnétique identique0 Quand l'aimant central 9 est constitué de deux éléments, la ligne de Jonction de ces deux éléments est, de préférence, en coRncidence avec l'axe polaire0 Dans les machines électriques conformes à l'invention, les pôles inducteurs comprennent ainsi au moins un premier aimant du type 6 ou 10 ayant un champ coercitif de préférence supérieur à 3900 oersteds,et un deuxième aimant du type 7 ou 9 pourvu d'une induction rémanente compris entre 3500 et 3900 gauss, et d'un champ coercitif plus faible que celui du premier aimant, d'une valeur de l'ordre de 500 à 1500 oersteds. - REVENDICATIONS 1. Machine électrique à inducteur à aimants permanents, caractérisée en ce que les pôles de l'inducteur sont individuellement constitués par, au moins, deux aimants fixés c8te àdc8te, comprenant un premier aimant en matériau magnétique à grana champ coercitif, et un deuxième aimant en matériau magnétique à forte induction rémanente et à champ coercitif plus faible que le précédent. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les pôles de l'inducteur comprennent chacun deux aimants, un premier aimant à grand champ coercitif, disposé dans la z8ne où la résultante démagnétisante des flux est la plus forte, et un deuxième aimant à forte induction rémanente età champ coercitif plus faible que celui du premier aimant, fixé dans la zône où la force magnétomotrice d'induit est minimales 3e Machine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, carctérisée en ce que, dans un pôle inducteur, un premier aimant permanent possède un champ coercitif supérieur à 3900 oersteds tandis qu'un deuxième aimant permanent possède une induction rémanente comprise entre 3500 et 3900 gausse 4.Machine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, dans un pôle inducteur, un premier aimant permanent possède un champ coercitif supérieur à celui d'un deuxième aimant, d'une valeur de l'ordre de 500 à 1500 oersteds 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, dans un pôle inducteur, un premier aimant permanent possède un champ coercitif de l'ordre de 4000 à 4500 oersteds et une induction rémanente de 3200 à 3400 gauss environ tandis qu'un deuxième aimant permanent possède un champ coercitif de l'ordre de 3000 à 3500 oersteds et une induction rémanente de l'ordre de 3600 à 3800 gausse 6.Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que dans un pôle inducteur, le premier aimant à grand champ coercitif a une dimension plus faible que celle du deuxième aimant à forte induction rémanente. 7. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les pôles de l'inducteur comprennent, chacun, trois aimants, un aimant central à forte induction rémanente et à champ coercitif moyen et deux aimants latéraux à grand champ coercitif. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que dans un pôle inducteur à trois aimants permanents, l'aimant central est constitué par assemblage d'au moins deux éléments en matériau magnétique identique. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 7 et 8, caractérisée en ce que, dans un pôle inducteur à trois aimants permanents, les deux a1nants latéraux possèdent un champ coercitif de l'ordre de 4000 à 4500 oersteds tandis que l'aimant central possède une induction rémanente de l'ordre de 3600 à 3800 gauss et un champ coercitif inférieur à celui des deux aimants latéraux d'une valeur de 500 à 1500 oersteds environ. 10. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que dans un pôle inducteur, l'aimant central à forte induction réma- nente a une dimension plus grande que les deux aimants latéraux à grand champ coercitif.