Brevet FR2309069A1 — publié le 19761119

En raison de la densité atteinte sur les routes par la circulation de véhicules de tous ordres, il est devenu nécessaire que les véhicules légers, dont l'utilisation s'est largement amplifiée au cours de ces récentes années, soient munis d'un éclairage offrant toute sécurité. C'est sous cette optique qu'il a été reconnu comme judicieux de disposer de deux circuits électriques indépendants pour l'alimentation respective de l'éclairage avant et de l'éclairage arrière, et celà avec lampes aux halogènes, chacune de deux watts. Un autre facteur de sécurité réside dans l'augmentation de la puissance électrique délivrée malgré une puissance motrice non modifiable, et qui est souvent l'effort de pédalage d'un cycliste. Cet accroissement du rendement dépend d'un meilleur tracé des lignes de forces magnétiques afin de réduire la réluctance du circuit et/ou du choix de matériaux de qualité pour les aimants0 A cet égard, il convient de tenir compte du fait que l'industrie métallurgique des aimants permanents tend de plus en plus à ne fournir que des matériaux anisotropes, c'est-à-dire des corps ayant une direction privilégiée d'aimantation ; comme conséquence de l'utilisation de ces matériaux, il n'est plus possible pour une construction robuste, sûre et peu coûteuse de conserver un aimant central. La présente invention donne les moyens d'apporter une réponse satisfaisante aux diverses conditions de sécurité ci-dessus avec un générateur très compact. Elle a pour objet un alternateur à aimants permanents pour cycle ou autre véhicule léger caractérisé par le fait qu'il est essentiellement constitué par un système d'aimants anisotropes multipolaires à aimantation radiale tournant coaxialement autour d'un système d'induits fixes, de préférence en deux éléments identiques dont les p8les sont décalés de manière à diminuer la résistance à l'entraSnement due à l'attraction des pièces magnétiques en présence. Les aimants permanents devant équiper un tel alternateur seront choisis surtout parmi les matériaux anisotropes qui s'imposent le plus actuellement, c'est-à-dire les ferrites, les plastoferrites et les aimants cobalt-terres rares c'est-à-dire lanthanides (samasium, praesodyme, ytterbium ou cerium). a structure complète d'un tel alternateur sera bien comprise cours de l'exposé ci-après se référant au dessin ci-annexé montrant quelques exemples non limitatifs de réalisation de l'invention. Sur ce dessin La figure 1 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un alternateur selon l'invention. La figure 2 est une vue perspective éclatée de l'un des deux inuits de l'al-.ernateur de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe diamétrale du système d'aimants inducteurs lorsqu'il s'étend sur la hauteur cotale des deux ln- duits. La fissure 4 est une vue cil coupe diamétrale du système d'aimants inducteurs en deux éléments, un our chaque indult. La ligure 5 est une vue en bout d'un système d'aimants inducteurs en irrite. a figure 6 est une variante de la figure 5. La figure 7 est une vue en bout d'un système d'aimants inducteurs formé par bande enroulée de plastoferrite. La figure 8 est une vue en bout d'un système d'aimants inducteurs en pièces séparées de plastoferrite ou d'aimant cobalt-terre rare. Les figures 9 à 12 sont des variantes de l'alternateur de la figure 1. comme représenté par la figure 1, l'alternateur est enfermé dans un carter métallique, en acier doux par exemple, constitué d'une partie tronconique 1 dont la grande base est prolongée par une partie cylindrique 2, l'extrémité la plus mince de ce carter est coiffée par un galet d'entraînement 3 et se raccorde intérieurement au carter à un manchon axial 4 s'étendant jusqu'au début de la partie cylindrique 2; à l'intérieur de ce manchon est emman ché le coussinet 5 de l'arbre non magnétique 6 de l'alternateur. Le bloc alternateur repose de façon étanche sur un socle 7 à patte latérale 8 de fixation sur le châssis du véhicule, l'extrémité libre de l'arbre 6 est encastrée dans ce socle au-dessus du logement de l'embrayage. Les pièces actives de l'alternateur sont montées à l'intérieur de la partie cylindrique 2 du carter. Le stator est composé de deux induits 9 et 10 emmanchés sur l'arbre 6 et séparés l'un de l'autre par une entretoise d'écartement 11 de quelques millimètres pour éviter les interactions. Chacun des induits a la structure représentée par la figure 2 une carcasse isolante 12 de forme torique reçoit un bobinage 13 de fil de cuivre ou aluminium isolé; le bobinage est enserré par un circuit magnétique en forme de cage qui entoure la bobine de toute part; cette cage est constituée par deux croisillons identiques 14 et 15 dont les branches respectives 16 et 17 s'emboîtent dans les rainures correspondantes 18 des flans de la carcasse; chacune des branches est repliée à 900 au ras extérieur de la rainure correspondante et dans le sens indiqué par la figure. Au centre de chaque croisillon un noyau magnétique 19 perforé au centre en 20 pour le passage de l'arbre 6 s'encliquete dans l'ouverture centrale correspondante 21 de la carcasse. Autour des induits (fig. 1) se trouve l'inducteur 22 constitué d'un système d'aimants permanents à orientation radiale comportant plusieurs polarités alternées, généralement huit pour ce type d'alternateur; cet inducteur est fixé sur la paroi interne cylindrique du carter, le rotor étant ainsi formé par le carter et l'inducteur; ainsi que le montre la figure, la hauteur de chaque aimant est sensiblement supérieure à celle de l'induit, tandis que le diamètre interne du système inducteur est prévu de manière à ménager avec les induits un entrefer de quelques dixièmes de millimètre. On remarquera d'après la même figure 1 que le groupe inducteurinduits possède un axe de symétrie et un plan de symétrie trans- versai normal à l'axe au milieu de la hauteur de l2entreroise Il. Par conséquent, le meilleur rendement sera obtenu avec deux induits 9 et lo identiques en dimensions et en bobinages pour respecter pleinement la symétrie par rapport au dit plan. Les différentes structures admissibles pour le système d'aimants inducteurs sont représentées succinctement par les figures 3 à 8. Ce système de forme générale cylindrique peut se présenter en coupe dans un plan diamètral soit selon la figure 3, soit selon la figure 4; d'après la figure 3, chaque aimant 23 couvre la hauteur des deux induits en débordant légèrement et également vers le haut et vers le bas; d'après la figure 4, chaque aimant est scindé en hauteur en deux éléments identiques 24 et 25, chaque élément couvrant un seul induit en débordant légèrement et également vers le haut et vers le bas, chaque fois dans un but de symétrie. Cwrculairement la disposition et la répartition des aimants peut se faire comme indiqué par l'une des figures 5à 8, aussi bien dans le cas de la figure 3 que dans le cas de la figure 4. Avec des aimants en ferrite, on peut utiliser deux secteurs 26 de 1800 chacun (fig. 5) ou quatre secteurs 27 de 900 chacun (fig. 6), la distribution des huit pôles se présentant comme l'indiquent les deux figures. Dans le cas de plastoferrite, on peut utiliser des bandes enroulées 28 couvrant 3600 (fig. 7) avec la même distribution uniforme des pâles; une bande pour la figure 3 et deux bandes pour la figure 4. Enfin toujours dans le cas des plastoferrites et surtout avec les aimants cobalt-terre rare en raison de leur prix élevé actuellement, on peut adopter la disposition de la figure 8, c'est-à-dire huit pièces polaires séparées 29 régulièrement distribuées, c'est-à-dire tous les 450. Dans la disposition selon la figure 3, on remarque qu'il est possible d'utiliser un même aimant pour les deux induits sans que celà entraîne des réactions fâcheuses d'un circuit sur l'autre; ceci est dû justement au fait que les matériaux anisotropes utilisés, ferrites, plastoferrites, cobalt-terres rares, ont une perméabilité réversible égale pratiquement à celle de l'air. Le bloc alternateur selon l'invention peut comporter quelques modifications secondaires de structure de la réalisation selon la figure 1. Qur la figure 9, le coussinet du rotor a été scindé en deux pièces, l'une 30 à l'entrée de la partie tronconique 1 et l'autre 31 au-dessus des induits. Dans le cas de la figure 1, le carter en acier doux permet le passage des lignes de force de retour qui referment le flux entre les aimants de polarités inverses; mais ce carter peut être en tout autre matériau, et notamment en matière plastique moulable, thermoplastique ou autre. Le galet moleté d'entraînement peut alors venir de moulage avec le corps du carter et c'est ce qui est représenté fig. 10, où le galet d'entraînement 32 est incorporé dans l'entrée de la partie tronconique 33 du carter. Si l'emploi de matière plastique nécessite un accroissement de l'épaisseur des aimants de l'inducteur pour compenser l'effet absent du carter en acier doux, il a par contre l'avantage de pouvoir prévoir au moulage des bossages ou des alvéoles intérieurs au corps plastique pour positionner les aimants. Pour chacun des alternateurs des figures 1, 9 et 10, à boîtier tournant, l'embrayage du galet sur le pneumatique de la roue d'un cycle se fait par pivotement autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation. Dans certains cas l'emploi d'un boîtier tournant est un inconvénient et pour rendre le boîtier fixe, on doit adopter un montage, tel que celui représenté par la figure 11 : le boîtier fixe présente sensiblement le même aspect extérieur que le carter tournant de la figure 1, mais intérieurement le manchon 34 est muni, à chaque extrémité du coussinet 41, d'un roulement à billes 35, 36; l'arbre de l'alternateur est scindé en deux tronçons, un tronçon tournant 37 entre les roulements à billes et un tronçon fixe 38 traversant l'induit; le galet d'entra- nement 39 est amarré par écrou sur la sortie de l'arbre tournant 37, qui entraîne alors en rotation un carter intérieur 40 portant les aimants de l'inducteur. Le socle de l'alternateur pourrait être le même que celui de la figure 1, ou comporter la variante que montre la figure 11. Enfin l'invention peut encore être adaptée, comme le montre la figure 12, à un alternateur à un seul induit 42 avec un bobinage et une cage. On parvient ainsi à un nouveau gain de compacité et de rendement magnétique. L'invention, telle qu'elle a été décrite, réduit les pertes magnétiques, donc diminue la self de fuite , et par suite l'autolimitation de tension en fonction de la vitesse. Cette limitation peut être rétablie par des moyens électroniques, tels que les écrêteurs à double diode Zener, ou les éléments à oxydes métalliques (ZnO), ou encore en modifiant les proportions de la cage (diminution de la section fer au centre des bobines). Pour terminer, il convient de résumer ci-après les avantages inhérents à l'invention. - Grande compacité due au fait que les aimants et les induits ne sont pas superposés en hauteur, mais coaxiaux. - Rendement amélioré puisque les lignes de forces ont un parcours plus court et plus direct, les pièces polaires de l'induit et l'induit lui-même se trouvant directement en face des aimants inducteurs. - A la suite de l'emploi d'une double cage magnétique (fig. 2), il est possible de décaler les branches d'un circuit magnétique par rapport aux branches de l'autre d'un angle voisin d'un demipas polaire, ce qui diminue et peut même supprimer l'arrachement magnétique, soit une autre contribution à l'amélioration du rendement global. Enfin il a été supposé que les alternateurs décrits ci-dessus étaient à huit pôles, ce qui est le nombre reconnu comme le meilleur pour les dimensions habituelles de ces appareils; il n'en reste pas moins que l'invention serait applicable à un autre nombre de pâles : quatre, six ou dix. REVSNDICATIoNS 1 - Alternateur à aimants permanents pour cycle ou autre véhicule léger caractérisé par le fait qu'il est essentiellement constitué par un système d'aimants anisotropes multipolaires à aiman ta-tion radiale tournant coaxlalement autour d'un système d'induits fixes, de préférence en deux éléments identiques dont les poises sont décalés de maniera à diminuer la résistance à l'entraînement due à l'attraction des pièces magnétiques en présence. 2 - Alternateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que chaque induit est constitué d'un enroulement bobiné sur un tore en matière isolante et enserré par une cage magnétique constituée de deux croisillons appliqués sur les flans du tore et dont les branches sont repliées à 900 au ras de la périphérie du tore. 3 - Alternateur suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les deux induits sont séparés l'un de l'autre par une entretoise de quelques mullimètres. 4 - Alternateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le rotor est un carter solidaire axialement du galet d'entraînement de l'alternateur, les aimants inducteurs étant portés par la partie cylindrique de ce carter autour des induits. 5 - Alternateur suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le groupe des induits et des inducteurs est dimensionné et structuré de manier à être entierement symétrique par rapport à l'axe de rotation et à un plan normal à cet axe au milieu de la hauteur de l'entretoise. 6 - Alternateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que chaque aimant de l'inducteur couvre la hauteur totale des deux induits ou est scindé en deux éléments dont chacun couvre la hauteur d'un induit. 7 - Alternateur suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les aimants de l'inducteur sont en ferrite et sont distribués circulairement en deux secteurs de 1800 ou quatre secteurs de 900. 8 - Alternateur suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les aimants de l'inducteur sont formés par des bandes de plastoferrites enroulées à 360 . 9 - Alternateur suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les aimants de l'inducteur sont des pièces en plastoferrite ou en aimant cobalt-terre rare séparées et régulièrement distribuées autour des induits. 10 - Alternateur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le carter tournant est en acier doux, forme boîtier de l'alternateur, sa partie cylindrique étant surmontée d'une partie tronconique coiffée par le galet d'entraînement. ll - Alternateur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le carter tournant est en matière plastique, forme boîtier de l'alternateur, est moulé en une seule pièce avec le galet d'entraînement et avec des bossages et/ou des alvéoles dans sa partie cylindrique pour positionner les aimants inducteurs. 12 - Alternateur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le galet d'entraînement est emmanché sur le tronçon supérieur de l'arbre de l'alternateur, ce tronçon étant monté sur roulements à billes et supportant le carter tournant du rotor. 13 - Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le décalage des pôles d'un élément induit à l'autre est de l'ordre de 1/2 pas polaire. 14 - Alternateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un seul élément induit. 15 - Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce qu'il est à huit pôles.