Brevet FR2340641A1 — publié le 19770902

La pressente invention est relative a' des perfectionnements apportés aux moteurs électriques et électro-magnetiques. Le terme "moteur" est pris dans son sens le plus général pour désigner un appareil permettant de transformer en énergie mécanique, une énergie électrique ou magnétique. tes moteurs élec triques --classiques comportent une pièce fixe ou stator et une pièce mobile ou rotor. Le déplacement du rotor est assuré par une alimentation électrique permanente des bobinages portés par exemple par des reliefs du rotor. Ces reliefs ou dents sont en acier doux. Dans le cas d'un moteur rotatif, la totalité des bobinages doit eAtre alimentée par un courant polarisé pendant une rotation de 180 degrés, tandis qu'on doit inverser la polarité du courant pour le deuxième demi-tour. La rotation du rotor entre les piles du stator exige un apport continu d'énergie électrique.L'énergie mécanique à la sortie du moteur est d'un prix de revient élevé. Un premier perfectionnement est réalisé en remplaçant les dents du rotor par des petits barreaux d'aimants permanents susceptibles d'erre polarises dans un sens ou dans l'autre, gr ce à une seule impulsion électrique envoyée dans les bobinages. Dans ce t~pe de moteur on utilise les propriétés d'attraction et de répulsion des aimants permanents. Ces efforts s1 exercent entre les piles du stator réalises en une masse polarisée aimantée dune part, et d'autre part les pales des barreaux solidaires du rotor. A chaque demi-tour du rotor, le bobinage entrant chaque barreau aimanté reçoit une impulsion électrique fournie par des frotteurs solidaires du stator. Le champ magnétique ainsi créé inverse la polarité de la dent. On voit ainsi que chaque bobinage est alimenté pendant un temps très court.Bien que, relativement aux systèmes classiques, le gain d'énergie électrique soit considérable, ce système exige toujours un apport d'énergie extérieure pour alimenter les frotteurs, ce qui réduit le rendement du moteur. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et d'utiliser le flux magnétique à son rendement maximal, en réalisant un moteur magnétique à aimants permanents permettant de supprimer tout apport d'énergie électrique qui ne participerait pas directement à la puissance de sortie du moteur. Un moteur magnétique selon l'invention comprend un ensemble fixe ou stator formé d'au moins un aimant permanent polarisé ou d'un électro-aimant, un ensemble mobile ou rotor comportant, sur sa face se déplaçant devant le stator, au moins une pièce constituée par un aimant permanent, et il est caractérisé en ce que le stator est muni au niveau de chacun de ses piles, d'un aimant permanent créant un flux magnétique intense, cet aimant permanent, appelé super-aimant, étant disposé de façon que la polarité statorique correspondante soit inverse de la polarité la plus proche de ce super-aimant, tandis que la pièce aimantée solidaire du rotor passe à proximité de chaque super-aimant qui crée un flux magnétique intense inversant la polarité dtaimantation de la pièce rotorique aimantée. Suivant une autre caractéristique, chaque aimant permanent, dit psle de renversement en super-aimant, est réalisé en une terre rare, créant un champ magnétique sensiblement supérieur à celui des aimants permanents connus. Suivant une autre caractéristique, le rotor comprend au moins un disque en acier doux mobile en rotation autour de son axe et comportant, à sa périphérie, une série de barreaux aimantés, disposés radialement, tandis qu'au cours de la rotation du rotor, les barreaux aimantés circulent entre les masses polaires du stator, chaque barreau entrant, à chaque demi-tour du rotor, dans le champ magnétique d'un pole de renversement en super-aimant, si bien que sa polarité est inversée. Suivant une autre caractéristique, on améliore le rendement du moteur magnétique ainsi crée en multipliant le nombre de barreaux aimantés fixés à la périphérie du disque rotorique. Ces barreaux peuvent être collés ou soudés à l'étain sur le disque constitué par une tle en acier doux. Suivant une autre caractéristique, l'aimant permanent rotorique est constitué par une couronne dont la polarité s'inver- se localement à chaque passage entre les piles de renversement en super-aimant fixé à la masse polaire statorique. Suivant une autre caractéristique, les piles de renversement en super-aimants fixés au stator au niveau des masses polaires inversent la polarité du ou des aimants permanents rotoriques sans qu'il y ait contact entre les piles en super-aimants et les aimants rotoriques, l'inversion de polarité se faisant par influence. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention et illustre quelques exemples de construction. Figure 7 est une section droite d'un ensemble rotor-stator d'un moteur magnétique selon l'invention. ~Figure 2 illustre le phénomène physique utilisé pour inverser la polarité des aimants rotoriques. Figure 3 est une vue partielle agrandie du détail A de la figure 1. Figure 4 est une coupe longitudinale axiale d'un moteur ma- gnétique dont le rotor comprend plusieurs disques calés sur le mame axe. Figure 5 est une coupe suivant les flèches V-V (figure 4) de ce moteur magnétique. Figure ó est une vue d'un disque rotorique muni de barreaux aimantés. Figure 7 est une variante de construction. Figure U est une coupe suivant les flèches VIII-VIII (figure 7). Figure 9 est une vue schématique montrant les lignes de force autour d'un super-aimant et d'un barreau aimanté, avant inversion de polarité. Figure 10 est une vue analogue montrant l'inversion de polarité du barreau aimanté sous l'influence du champ magnétique intense du super-aimant de renversement. Figures Il et 12 illustrent une des conséquences de l'invention caractérisée en ce que la longueur du trajet du rotor est indépendants de l'énergie fournie pour le renversement de pola- rité des éléments aimantés du rotor. On a représenté sur la figure t un moteur magnétique corprenant un aimant permanent fixe 1. Ce stator comporte un pole nord 2 et un pole sud 3 diamétralement opposés et en relief vers l'intérieur du tube dans lequel tourne un axe 4. Un rotor 5 est calé sur cet axe 4, et tourne entre les poules 2 et 3 du rotor. Le moteur est complété par exemple par un bati portant des paliers (non representés) dans lesquels tourne l'axe du rotor. Ce rotor est representé par un disque figure 13découpé par exemple dans un acier doux. On dispose, sur la péripkécie de ce disque, des barreaux 7, ü, 9, 10... constitués par des aimants permanents. Ces barreaux sont orientés radialement.Ils sont solidaire s du disque rotorique auquel ils sont fixés par collage ou à l'aide d'une soudure à l'étain. Dans le plan diamétral défini par le poule nord et le ptle sud statoriques, on dispose, à proximité du trajet suivi par les barreaux aimantés 7, 8... des les de renversement en super-aicants 11 et 12 orientés radia liement. le p8le 11, fixé à proximité du pôle nord 2, a sa polarité sud la plus rapprochée du stator, tandis que sa polarité nord est la plus rapprochée du rotor.Le pôle de renversement en super-aimant opposé -tZa, de la marne façon, son pOle nord 12a le plus rapproché du pôle sud statorique 3, alors que son pSle sud 12p est plus proche de l'axe 4 du rotor. Les super-aimants 11 et t2 sont firmes et solidaires du stator 1. Dans la construction représentée sur la figure 1, tous les barreaux aimantés situés sur la partie droite du rotor présentent leur pole nord devant la masse aimantée du stator. Ils sont soumis, dans la partie supérieure, à des efforts de répulsion 13 et dans la partie inférieure à des efforts d'attraction 14.Inversement, la partie inférieure et la partie supérieure de la demi-section de gauche de lunFemble rotorique sont respectivement soumises à des efforts do répulsion 13a et des efforts d'attraction 14a dus à l'intéractien entre les masse polaires statoriques sud et nord, et le p8- le sud des barreaux aimantés rotoriques. On voit que l'orienta- tion des flèches 13, 14, 13a, 14a, provoque la rotation du rotor 5 suivant la flèche 15. Ce résultat est connu, mais, pour obtenir l'addition des forces magnetiques 13, 13a, 14 et 14a, on sait qu'il faut inverser la polarité des barreaux aimantés du rotor Zu moment de leur passage devant les masses statoriques 2 et 3. La présente invention décrit un dispositif qui permet de supprimer toutes les impulsions électriques, donc tout apport d'énergie extérieure pour réaliser cette inversion. On utilise le phénomène physique, constaté expérimentalement, et illustré sur la figure 2. Un gros aimant permanent 16, par exemple en forme du U, a ses deux branches polarisées respectivement llune nord, l'autre sud. Â chacune des extrémités de ce gros aimant classique, on fixe une ou plusieurs plaquettes en super-aimant, c'est-à-dire en un aimant permanent réalisé en un matériau spécial, par exemple une terre rare. Les super-aimants 17 et 18 multiplient les forces d'attraction (ou de répulsion), c'est-à-dire le champ magnétique du gros aimant 16.Si lton approche un petit aimant permanent 19 du gros aimant 16 équipé des plaquettes 17 et 18, on constate les étapes suivantes a) - les piles du barreau 19 étant en répulsion avec les piles des plaquettes 17 et lo, le flux magnétique crée na champ de force 21 opposé au sens de déplacement 2C (voir figure 9, une représentation radiale de ce phénomène); b) - si lteffort suivant la flèche 20 est supérieur à l'effort antagoniste suivant les flches 21, on amène le petit bar reau 19 à traverser le plan représenté par l'axe 22. Le flux mantique du gros aimant 16, multiplie par les pla quettes de super-aimants 17 et 18, est netteent supérieur au flux magnétique du petit barreau 19.Lorsque ce dernier a traversé le plan 22, lé sens de ses lignes de champ s'inverse sous l1inrluence du champ des plaquettes en su per-aimants 17 et 18. La polarité du barreau 19 est ren versée (voir en représentation radiale, la figure 10). Dans la position 19a, le pôle nord est devenu le pôle sud, et inversement. L'aimant 16 et les super-aimants 17 et 13 constituent un pôle de renversement. c) - le petit barreau aimanté 19 est alors en position d'attrac- tion. L'aimant 16 et les plaquettes de super-aimants 17 et lb ont constitué un dispositif de renversement de polarité de ce petit barreau. Après renversement de cette polarité, il faut exercer sur le petit aimant 19a une force 20a op posee à la force d'attraction magnétique 21a (figure 2). On voit que le renversement de polarité du petit ai ruant mobile 19 est réalisé lorsque celui-ci a franchi le plan 22 qui reste à proximité des pôles de renversement constitués par les piles nord et sud respectivement des plaquettes 17 et 18 en en super-aimant. On a représenté sur la figure 3 un dispositif pratique, mettant en oeuvre ce principe d'attraction et de répulsion magnétiques. Deux petits aimants 19 et 29 sont fixés aux extrémités d'un rayon 30 auquel on applique un effort pour ltentratner en rotation suivant la flèche 31 autour de l'axe central 32. L'ensemble 19, 30, 29, est mobile entre le pôle nord et le pôle sud d'un gros amant permanent fixe ou stator. Au niveau de chacun des pales nord et sud, sont fixés des piles de renversement en super-aimants 27 et 28, placés à proximité du trajet décrit par les barreaux 19 et 29. Lbrsque ensemble mobile, constitué par les barreaux 19 et 29 et le rayon 30,arrive à l'entrée des super-aimants 27 et 28, les barreaux 19 et 29 sont repoussées magnétiquement (flèches 31) par les piles en ré pulsion des super-aimants 27 et 28. Par ailleurs, ils sont attirés magnétiquement par les grosses masses polaires nord et sud (flèches 33) et, dans le cas d'un seul rayon, par l'effort mécanique 34.Si l'on fait franchir au rayon 30 le plan dit d'inversion représenté par l'axe 35 (correspondant au plan 22 de la figure 2). l'ensemble mobile est attiré par les su;cr-aimants 27 et-28, de façon que les barreaux 19 et 29 viennent rapidement au centre des pâles de renversement de polarité constitués par ces super-aimants. La polarité des barreaux a bien été inversée, mais pour que le rayon 30 continue à tourner, il faut-exercer à nouveau un effort 34, pour amener l'ensemble mobile à la position représentée en 19a, 30a, 29a (figure 3). Alors, la répulsion magnétique 33a entre l'aimant permanent fixe 26 et les barreaux aimantés 19 et 29 mobiles, assure la rotation de ces barreaux sur 180 degrés. On supprime l'effort extérieur 34 en remplaçant le rayon 30 par un disque rotatif 6 (figure 1) sur lequel sont fixés une multitude de petits barreaux aimantés 19' ou 29. La rotation du disque est assurée par les effets magnétiques d'attraction 14 et 14a et de répulsion 13 et 13a, qui s'additionnent et agissent sur tous les barreaux solidaires du disque. En revanche, l'action des super-aimants ou piles de renversement 27 et 28 (fig. 3) est intense mais reste tres localisée. En conséquence, le disque rotor 5 peut tourner sans apport extérieur d'énergie, le montage magnétique étant tel qu'il assure la rotation et le renversement de polarité à chaque demitour du rotor. On a représenté sur la figure 4 un moteur comportant plusieurs disques montés sur un mÉme axe central 40. Les disques rotoriques 41, 42... sont calés en rotation sur cet axe. Ils sont élaborés dans des t8les en acier doux. Ils sont écartés les uns des autres par des entretoises 43, 4.... Conformément à l'invention, chaque disque porte, à sa périphérie, des aimants permanents 45, 4t, qui passent entre les piles des deux piles de renversement en super-aimants diamétralement opposés 47 et 48. Le stator est par exemple formé de deux demi-aimants de forme générale semi-circulaire dont les extrémités nord et sud correspondant. Ces demi-aimants statoriques 49 et 50 en ferrite le cas échéant sont montés dans des flasques amagnéti- ques 51, 52 reliés par exemple par des boulons 53.Les super- aimants 47, 48 sont fixés à des supports 54 et 55 eux-mêmes boulonnés en 56 et 57 sur les flasques statoriques 51 et 32 (figures 4 et 5). Bien entendu, cette construction ne constitue qu'un exemple donné à titre indicatif. Il n'est pas limitatif. Par exemple, lorsque les dimensions du moteur sont importantes, le stator est réalisé en un électro-aimant. Le principe de renversement se fait toujours par influence des piles en super-aimant tandis que énergie nécessaire à la magnétisation du stator demeure faible. La figure 6 représente un disque 42 conforme à l'in- vention, et muni, sur sa périphérie, de barreaux aimantés 45, 45a ...46, reliés à la tôle d'acier doux, à l'aide d'une soudure d'étain ou d'un collage 60. Ces petits aimants peuvent être des barreaux cylindriques (figure 6), ou rectangulaires- ou d'une section quelconque connue et facilement réalisables. On a vu précédemment qu effort magnétique de rota- tion du disque rotorique était dt à l'interaction entre la p4- riphérie des aimants permanents du rotor et les grosses masses polaires du stator. On comprend que, pour uns super-aimant de renversement de polarité donné, le rendement est fourni par le rapport entre, d'une part l'effet magnétique de rotation et, autre part l'effort local antagoniste d'abord de répulsion, ensuite d'attraction après rentersement an niveau des sRPlr- aimants.En conséquence,, plus le nombre de barreaux aimantés sur la périphérie du rotor est grand, plus le rendement est amélioré. De même, le renversement de polarité est facilité quand on augmente la masse des les de renversement en superaimant, ceux-ci étant influencés par les lignes de force ma- gnétiques du stator. On a représenté sur la figure 13, une construction améliorée tendant à diminuer l'effet magnétique qui s'oppose au mouvement du rotor 106. Le stator 105 présente des dcroche- ments 107 et 108 placés à la sortie des barreaux rotoriques 109 (c'est-à-dire après les les de renversement P1 et P2). Un noyau 110 en acier doux rassemble les lignes de force statoriques 111. Le stator est, de plus, muni d1un électro-aimant 112. Ltefficacité du moyau 110 est renforcée par des plaquettes en super-aimant 113 N et 114 S qui constituent un écran pour les lignes de force antagonistes du stator. Les plaquettes sont fixées au noyau 110 qui s'étend du paie nord au pale sud. L'stperience a montré que le renverse;nent de polarité par influence est également amélioré et assuré si la zone de renversement est allongée. Â cet effet, on prévoit plusieurs PS les de renversement successifs (figure 14). Face au le Nord du stator on fixe des pôles de renversement en super-aimant 120, 121, 122, 123. Le dernier est monte, avec inversion de sa polarité, ce qui diminue l'effort d'attraction des piles de renversement à la sortie des barreaux rotoriques. Bien entendu, la masse de ce dernier "pôle" est déterminée pour ne pas provoquer un renversement opposé de la polarité des barreaux rotoriques.De même, face au pôle Sud du stator, on monte les piles de renverse ment en super-aimant 124, 125, 126 et le super-aimant inversent 127 La zone d'inversion de polarité des barreaux aimantés 129 du rotor 130 est limitée par les axes 131 et 131a (Fig. 14). Les différentes constructions citées précédédemment (Fig. 1, d, 13, 14) peuvent atre combinées en fonction du résultat recherché. On a représenté sur les figures,7 et b un moteur magnétique selon l'invention, dont les barreaux aimantés sont rempla cés par une couronne constituant un aimant permanent. Chaque zone de cette couronne 61, soudée sur un disque en tale 62, renverse sa polarité lors de son passage entre les pales nord et sud des super-aimants 63 et 64 diamétralement opposés. Le renversement de polarité s'effectue entre les plans 35 et 35a symétriques de part et d'autre du plan longitudinal défini par les deux pales de renversement opposés P1 et P2 (fig. Il et 12j. Entre ces deux plans, la distance linéaire prise au aiveau des pales P1 ou P2 reste constante, quel que soit le dia mètre du rotor, c'est-à-dire la la distance entre ces deux pales. Ainsi i'énergie nécessaire au renversement de polarité, fournie par les super-aimants dans l'intervalle localisé au niveau des pales et e t P2, entre les plans 35 et 35a, est indépendante de la longueur totale du trajet des ainants mobiles, c'est-à-dire du diamètre du rotor. La longueur L est constante, tandis que ltangle (fig. 11) est différent de l'anglek1 (fig. 1a). Une meme énergie de renversement de polarité provoque, sans apport énergie d'une source extérieure, un déplacement linéaire de la périphérie du rotor égal à la moitié de la circonférence, et ceci, quelle que soit la longueur de ce trajet. On notera qu'un des principaux avantages de l'invention est de permettre la fonctionnement d'un moteur uniquement par influence magnétique entre le rotor et le stator. Le renverse- ment de polarité est assuré par influence entre les aimants permanents. On peut ainsi supprimer l'alimentation électrique constante du rotor dont les barreaux (aimants) ne portent pas de bobinages. Ainsi, la construction, est plus légère, et moins onéreuse que dans les systèmes connus - diminution de l'inertle des masses à mettre en mouvement - alimentation électrique uniquement sur le stator fixe (électro-aimant) ou même complétement supprimée - possibilité de réaliser un moteur de très grand diamètre. REVENDICATIONS 1 - Moteur magnétique comprenant un ensemble fixe ou stator formé d'au moins un aimant permanent polarisé ou électro-aimant un ensemble mobile ou rotor comportant, sur sa face se déplaçant devant le stator, au moins une pièce constituée par un aimant permanent, caractérisé en ce que le stator est muni, au niveau de chacun de ses ples, d'un aimant permanent créant un flux magnétique intense, cet aimant permanent, appelé super-aimant, étant disposé de façon que la polarité statorique correspondante soit inverse de celle du pôle du super-aimant le plus proche du stator, tandis que la pièce aimantée solidaire du rotor passe à proximité de chaque super-aimant qui crée un flux magnétique intense inversant la polarité d'aimantation de la pièce rotorique aimantée, si bien que ce super-aimant constitue un pole de renversement de polarité du ou des aimants... permanents rotoriques. 2 - Moteur magnétique suivant la revendication 1, caractérisé én ce que chaque pôle de renversement en super-aimant, est réalisé en une terre rare, créant un champ magnétique sensiblement supérieur à celui des aimants permanents connus. 3 - Moteur magnétique suivant la revendication 1, ca- caractérisé en ce que le rotor comprend au moins un disque en acier doux mobile en rotation autour de son axe et comportant, à sa périphérie, une série de barreaux aimantés, disposés ra radialement, tandis qu'au cours de la rotation du rotor, les barreaux aimantés circulent entre les masses polaires du stator, chaque barreau entrant, à chaque demi-tour du rotor, dans le cilailp magnétique d'un p81e de renversement en super-aimant, si bien que sa polarité est inversée. 4 - Moteur magnétique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisd en ce que pour amélio- rer le rendement du moteur ;na > nétique ainsi crée, on multiplie le nombre de barreaux aimantés fixés à la périphérie du disque rotorique, ces barreaux pouvant entre collés ou soudés à l'étai n sur le disque constitué par une tale en acier doux. 5 - Moteur magnétique s ivanb l'unc l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'aimant permanent rotor rique est constitué par une couronne dont la polarité s'inver- se localement à chaque passage à proximité dtun pdle de renver- sement en super-aimant fixé à la masse polaire statorique. 6 - Moteur magnétique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les superaimant s fixés au stator au niveau des masses polaires inversent la polarité du ou des aimants permanents rotoriques sans qutil y ait contact entre les piles de renversement et les aimants rotoriques, l'inversion de polarité se faisant par influence. 7 - Moteur magnétique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'a la sortie d'un ptle de renversement on monte un noyau en acier doux canalisant les forces magnétiques antagonistes dues aux masses statoriques, ce noyau étant disposé entre les p8les nord et sud du stator et étant pourvu de petites plaquettes en super-aimant dont la polarité est identique à la polarité statorique en regard, ces plaquettes renforçant l'effet d'écran créé par le noyau. 8 - Moteur magnétique suivant l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que chaque pale de renversement est constitué par plusieurs plaquettes successives en super-aimant, la dernière de ces plaquettes étant disposée de façon à présenter une polarité åersée qui diminue ou an nulle effort de retenue des plaquettes précédentes sans provo quer un nouveau renversement de polarité des aimants rotoriques, si bien qu'on allonge la zone dtinfluence en augmentant le rendement du moteur. 9 - Moteur magnétique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur du trajet dlun point périphérique du rotor est indépendante de l'énergie fournie pour le renversement de-polarité des aimants solidaires du rotor.