Brevet FR2403675A1 — publié le 19790413

La présente invention a pour objet une machine motrice fonctionnant en courant continu et comportant un ou plusieurs rotors se présentant sous la forme de disques minces tournant dans l'entrefer d'un certain nombre d'aimants permanents. On connaît dOj par exemple par le brevet français nO 70 45 934 des machines Blectriques 5 courant continu munies de rotors en forme de disques en rotation à l'intOrieur de l'entrefer d'aimants permanents. Dans ce type de machine qui s'apparente la roue de Barlow le champ magnétique créé par les aimants permanents s'exerce sur la totalité de la périphérie du disque rotorique Par suite de la construction de ce type de machine, les intensités de fonctionnement sont relativement importantes par rapport à la différence de potentiel appliquée. I1 en résulte des rendements très faibles qui ne permettent pas une application industrielle. On a également déjà prévu de réaliser des rotors en forme de disque comportant des bobines en spirale réalisées suivant la technique des circuits imprimés. Zest ainsi que le brevet français nO 72 02 571 decrit un rotor comportant, sous forme d'un circuit imprimé, une pluralité de bobines connectées en série les unes à la suite des autres. La présente invention a pour objet de réaliser une machine motrice électrique comportant un ou plusieurs rotors en forme de disques minces de type connu en soi et munis de bobines coopérant avec des aimants permanents constituant le stator de telle sorte que l'alimentation de chaque bobine se fasse pendant une période de temps déterminé afin d'obtenir un rendement maximal de la machine en mettant à profit le champ magnétique créé par les aimants permanents. Selon la présente invention le moteur à courant continu et aimants permanents comporte un ou plusieurs rotors en forme de disques minces. Le stator comporte quant à lui au moins un pôle magnétique à deux paires d'aimants permanents disposées côte à côte le long de la périphérie du disque du rotor, les aimants de chaque paire etant disposés symétrique- ment ou asymétrîquement par rapport au plan du disque en laissant subsister un entrefer minimal compatible avec les tolérances de fabrication.Les deux paires d'aimants permanents constituant un pôle magnétique du stator, sont disposées de telle sorte que les faces polaires en regard des aimants de chacune des paires précitées, soient de polarité opposée et de façon que pour chaque pôle statorique, les faces polaires de deux aimants appartenant chacun à une desdites paires et se trouvant d'un même côté du rotor soient de polarités opposées. Le rotor comporte en outre au moins une bobine plate dont la section, selon un plan parallèle au plan du disque rotorique, s'inscrit dans un secteur circulaire dont l'angle d'ouverture est inférieur ou égal à l'angle sous lequel on voit les centres des faces polaires des aimants d'un pôle statorique depuis l'axe du stator. Chaque bobine n'est alimentée par l'intermédiaire d'un dispositif d'un collecteur classique que pendant le temps ot elle se trouve dans le champ d'action des aimants permanents d'un pôle statorique. Les bobines sont de préférence réalisées par enroulement dlun fil conducteur sans noyau ou sur un noyau isolant réalisé en une matière non métallique ou ferromagnetique, de telle sorte que la commutation du courant électrique au passage d'une bobine dans le champ d'action d'un pôle statorique provoque une modification maximale du flux magnétique. L'absence de noyau, par exemple en fer doux, permet d'éviter toute action de freinage par le champ magnétique des aimants permanents au passage d'une bobine non alimentée en courant.Cette absence de noyau permet également de monter des aimants de force maximale, telle que le permet la technologie du moment. En outre, alors que dans un moteur classique à aimants permanents, il existe un point critique au-delà duquel l'augmentation de la puissance des aimants statiques nécessite l'augmentation du courant d'alimentation pour éviter le freinage ou même, à la limite, l'arrêt du moteur, le système présenté échappe à cette contrainte, car le champ magnétique créé par la ou les bobines provient de conducteurs non magnétiques (cuivre isolé par exemple). I1 résulte de ces observations que, pour obtenir le rendement optimum de ce moteur, il y a intérêt à utiliser sur le stator des aimants d'une puissance maximale. L'alimentation de chaque bobine en courant continu se fait de telle sorte que ladite bobine soit repoussée par la première paire d'aimants d'un pôle magnétique du stator et attirée par la deuxième paire du même pôle. Pour augmenter le rendement du moteur, chaque disque rotorique comprend de préférence une pluralité de bobines pratiquement identiques, chacune de ces bobines ayant l'une de ses extrémités reliée en permanence a un pôle commun a la masse et son autre extrémité reliée a un élément du collec tueur, De cette manière, chaque bobine produit, lorsqu'elle alimentée successivement par le collecteur, une induction magnétique traversant le rotor toujours dans le même sens. Dans un mode de réalisation préféré, les bobines présentent une forme oblongue dont le grand axe est sensiblement radial. Les bobines sont avantageusement réalisées de façon à présente une résistance élevée, au moyen d'un fil en métal très conducteur (cuivre par exemple) qui permettra de loger dans le champ d'un pôle statorique, la plus grande longueur de fil compatible avec la différence de potentiel et l'intensité mise en oeuvre. Pour augmenter dans des proportions importantes la longueur de ce conducteur la ou les bobines seront constituées par plusieurs fils très fins isolés entre eux et montés en parallèle, dont une extrémité collective sera a la masse et l'autre reliée a une branche du collecteur.On aura ainsi acquis l'avantage d'augmenter sensiblement le flux magnétique dégagé par l'ensemble des constituants, sans modification de l'intensité du courant requis. Ce dispositif permet donc d'exploiter au mieux les données des lois d'Oersted, en privilégiant l'intensité du champ magnétique et la longueur du conducteur au détriment de l'intensité du courant d'alimentation. Pour permettre une variation aisée de la vitesse et de la puissance de la machine motrice, il est de préférence prévu des moyens permettant d'alimenter à volonté chacune des bobines sur une ou plusieurs plages du dispositif collecteur correspondant respectivement aux différents pôles statoriques. Chaque bobine peut ainsi être alimentée lors de son passage dans le champ d'action de chaque pôle statorique pour obtenir la puissance maximale du moteur ou au contraire n 'être alimentée que lors de son passage devant une partie des pôles statoriques répartis sur la périphérie du rotor. Les disques rotoriques utilisés dans le moteur de la présente invention sont de préférence réalisés en un matériau non magnétique et non conducteur de l'électricité afin d'éviter toute diminution du rendement due a l'apparition de courant de Foucault. Au moins la périphérie du rotor logeant les bobines et passant dans le champ magnétique du stator étant réalisée en un matériau non magnétique et non conducteur de l'électricité. Le rotor présente sur sa périphérie des évidements radiaux permettant le logement des bobines. Les faces polaires actives des aimants permanents du stator ont avantageusement une forme de rectangle allongé dont les grands axes sont dirigés radialement. La longueur optimale des pôles en regard du disque est celle du grand axe interieur de la bobine et leur largeur est au moins égale à la largeur extérieure de la bobine. L'écartement des pôles doit être sensiblement de l'épaisseur de la bobine augmenté de l'épaisseur des entrefers de manière a obtenir un champ magnétique cruciforme. En outre, les extrémités extérieures des pôles en regard du disque seront arrondies pour concentrer au mieux le champ magnétique. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de realisation particulier décrit à titre nullement limitatif et illustré par les dessins sur lesquels la figure 1 représente très schématiquement une vue en élévation d'un moteur selon la présente invention muni d'un seul disque rotorfque; la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1; la figure 3a est un schéma illustrant, vu de dessus, le rotor et le stator d'un moteur selon l'invention développé pour faciliter la compréhension et montrer l'alimentation en courant des bobines du rotor; et -la 3b est un diagramme illustrant les périodes d'alimentation des bobines. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le moteur selon l'invention comporte un disque rotorique unique 1 de faible épaisseur solidaire en rotation d'un axe 2 monté par des paliers 3 sur un bâti 4. L'arbre 2 présente au voisinage de l'une de ses extrémités un dispositif collecteur à lamelles 5 de type classique coopérant avec un balai d'alimentation à frotteur 6 muni d'un ressort 7 et alimenté en courant électrique continu par les fils de connexion 8. Le rotor I est monté de façon à pouvoir tourner dans l'entrefer d'une pluralité de pôles statoriques 9 chacun desdits pôles étant constitué par une première paire d'aimants permanents iota, lOb et une deuxième paire d'aimants permanents lia, lib. Les aimants permanents iOa at lia placés d'un même coté du disque rotorique 1 sont de polarité opposée et sont fixés par des moyens appropriés tels que des vis 12 a un anneau 13 solidaire du bâti 4.De la même manière, les aimants permanents lOb et llb sont de polarité opposée et leurs pôles extérieurs, ainsi que ceux de lOa et lia sont reliés entre eux au moyen d'une armature de fer doux 101 ou par un autre aimant renforçant le champ magnétique et de manière à le fermer vers l'extérieur sont fixés à un anneau de support 14 solidaire du bâti 4. Les faces polaires actives des aimants permanents lOa, lOb et lia, lib en regard du disque 1 ont une forme de rectangle allongé dont le grand axe est dirigé radialement pour des bobines oblongues et dont les angles sont de préférence arrondis de manière à concentrer au maximum l'intensité magnétique, le rapport largeur/longueur desdits rectangles étant fonction de la forme des bobines. Le rotor 1 qui est réalisé en une matière non magnétique et non conductrice de l'électricité, par exemple en une matière synthétique de grande résistance, comporte au voisinage de sa périphérie des évidements 15 visibles sur la figure 2 à l'intérieur desquels se trouvent logées des bobines plates 16 sans noyau, de forme oblongue et dont le grand axe est sensiblement radial comme on peut le voir sur la figure 2. On peut avantageusement comme représenté sur la figure 2, prévoir, dans le sens périphérique, une largeur des bobines 16 plus importante à l'extérieur qu'à l'intérieur par rapport à l'axe du rotor.Dans tous les cas, il convient de préférence que la section maximale des bobines 16 dans un plan parallèle au rotor 1, c'est-à-dire les dimensions des évidements 15, soit comprise dans un secteur circulaire dont l'angle d'ouverture est inférieur ou égal à l'anglet sous lequel on voit les centres des faces polaires iota, lOb et lla, llb d'un pôle statorique depuis l'axe 2 du stator. On notera également que les bobines 16 réalisées à l'aide d'un fil de grande longueur de façon à obtenir une bonne résistance, ne comportent pas de noyaux internes ce qui permet non seulement d'alléger le rotor mais encore d'améliorer les conditions de fonctionnement comme décrit plus avant. Chaque bobine 16 est reliée au moyen d'une connexion telle que 17, a 11 une des plages du collecteur 5, Bien qu'il soit possible d'imaginer un moteur selon l'invention comportant une pluralité de bobines 16 sur le disque rotorique coopérant avec un seul pôle statorique tel que le pôle 9, on pourra prévoir dans la pratique autant de pôles statoriques que le permettront les dimensions du moteur réel. Dans l'exemple illustré sur les figures, le moteur comporte huit pôles statoriques et huit bobines 16 sur le disque rotorique. Les faces latérales du disque rotorique 1 sont avangateusement délimitées par une pellicule mince 18 également en matériau non magnétique et non conducteur de l'électricité. Le fonctionnement du moteur de l'invention est iliustré en particulier sur les figures 3a et 3b où l'on retrouve les mêmes pièces portant les mêmes références, l'ensemble ayant cependant été représenté développé afin de mieux faire comprendre le fonctionnement. Une bobine 16 a été représentée se trouvant dans l'entrefer de la première paire d'aimants permanents 1Oa, lOb d'un pôle statorque 9 dont on a représenté schématiquement les lignes de force du champ magnétique. Comme on peut le constater l'aimant permanent lOa présente un pôle Nord faisant face au rotor 1 tandis que l'aimant permanent lia de la deuxième paire d'aimants qui constitue, avec la première paire 1Oa lOb, le pôle statorique, comporte un pôle Sud en regard du rotor 1. Les deux aimants disposés de l'autre côté du rotor 1 sont bien entendu inversés de sorte que l'aimant lOb présente un pôle Sud en face du rotor 1 et l'aimant 11b un pôle Nord en face du rotor 1. L'alimentation en courant électrique en fonction de la position de la bobine i6 a été représentée sur la figure 3b. On voit que ladite bobine est alimentée un peu après qu'elle ait pénétré dans l'entrefer entre les aimants permanents lOa, lOb de la première paire. L'alimentation se fait de telle sorte que la bobine 16 présente un pôle Nord en regard de l'aimant permanent iOa et un pôle Sud en regard de l'aimant permanent lOb. Dans ces conditions, la bobine 16 constitue elle-même un aimant qui se trouve repoussé par la première paire d'aimants permanents iota, lOb. Il en résulte, compte tenu de la réaction de l'axe du rotor, une force qui a tendance a provoquer le déplacement du rotor 1 dans le sens de la flèche 19.Lorsque la bobine 16, qui s'est déplacée, pénètre dans l'entrefer entre les aimants permanents lia, llb de la deuxième paire d'aimants qui constitue le pôle statorique 9 elle se trouve toujours alimentée par le même courant et dans le même sens de sorte qu'elle est maintenant attirée par les aimants permanents lia, llb ce qui entraîne également un déplacement'du disque rotorique dans le sens de la flèche 19. L'alimentation en courant électrique de la bobine 16 est coupée avant que ladite bobine ne se trouve dans l'axe de l'action principale de la deuxième paire d'aimantes lia, ilb. Le rotor poursuit donc son mouvement jusqu'à ce que la bobinie 16 parvienne en regard d'un pôle statorique suivant où le même processus reproduit. Bien entendu le fonctionnement serait le même pour une autre bobine qui peut se trouver également en regard d'un autre pôle statorique au même instant. La période exacte d'alimentation de chaque bobine 16 peut être déterminée aisément en fonction des conditions de fonctionnement du moteur et en particulier en fonction de sa vitesse de rotation ainsi que de la force et des dimensions des différents pôles statoriques. Pour faire varier la vitesse de rotation du rotor 1 il suffit de ne pas alimenter les bobines 16 lors de leur passage devant chaque pôle statorique.-Le fait que les bobines 16 ne comportent pas de noyau ferromagnétique ni métallique permet d'éviter tout freinage d'une bobine non alimentée dans l'entrefer d'un pôle statorique. Dans un moteur comportant en pratique plusieurs disques rotoriques montés sur le même arbre on n'obtient aucun point mort et une grande vitesse de rotation pour une très faible intensité du courant d'alimentation. Il est possible de varier aisément la vitesse et la puissance du moteur en modifiant par un dispositif approprié le nombre de plages d'alimentation de chaque bobine par Irintermédiaire du collecteur. On notera que dans la pratique on prévoit un deuxième collecteur non représenté sur les figures afin de connecter les autres extrémités des bobines a la masse du moteur, Le collecteur d'alimentation est avantageusement dimensionné de façon que llor puisse doser de façon précise la période d'alimentation de chacune des bobines. I1 comporte de préférence autant de lamelles ou branches que de bobines ou de leurs multiples ou sous-multiples. REVENDICATIONS 1, Moteur a courant continu et aimants permanents comportant au moins un rotor en forme de disque, caractérisé par le fait que son stator comporte au moins un pôle magnétique a deux paires d'aimants permanents disposées respectivement pratiquement symtriquement par rapport au disque du rotor avec un entrefer minimal compatible avec les tolérances de fabrication, de façon que les faces polaires en regard des aimants de chacune desdites paires soient de polarité opposée et de façon que pour chaque pôle statorique, les faces polaires de deux aimants appartenant chacun à une desdites paires et se trouvant d'un même côté du rotor soient de polarite opposée, par le fait que le rotor comporte au moins une bobine plate dont la section, selon un plan parallèle au plan du disque rotorique s'inscrit dans un secteur circulaire dont l'angle d'ouverture est inférieur ou égal & l'angle sous lequel on voit les centres des faces polaires des aimants d'un pôle statorique depuis l'axe du stator, et par le fait que chaque bobine n'est alimentée par l'intermédiaire d'un dispositif a collecteur classique que pendant le temps où elle se trouve dans le champ d'action des aimants permanents des pôles statoriques. 2. Moteur selon la revendication 1 dont le rotor comporte plusieurs bobines pratiquement identiques, caractérisé par le fait que toutes les bobines ont l'une de leurs extrémités reliée en permanence à un pôle commun et ont leurs autres extrémités reliées à des éléments correspondants du collecteur de façon à produire lorsqu'elles sont alimentées successivement, une induction magnétique traversant le rotor toujours dans le même sens. 3, Moteur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que chaque bobine est alimentée en courant électrique de façon à être repoussée par la première paire d'aimants d'un pôle magnétique et attirée par la deuxième paire. 4. Moteur selon 'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les bobines sont de forme oblongue, leur grand axe étant sensiblement radial. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque bobine peut être alimentée à volonté sur une ou plusieurs plages du dispositif collecteur correspondant respectivement aux différents pôles statoriques. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque bobine est constituée par l'enroulement d'un ou de plusieurs fil3 conducteurs isolés, en métal de très faible résistance, de grande longueur, cette longueur étant déterminée en fonction de la différence de potentiel et de l'intensité du courant mis en oeuvre, les extrémités desdits fils conducteurs étant reliées en parallèle. 7, Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la ou les bobines sont constituées par l'enroulement d'un ou plusieurs fils conducteurs, sur un noyau en un matériau non magnétique et non conducteur de l'électricité, ou sans noyau. 8, Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au moins la périphérie du rotor logeant les bobines et passant dans le champ magnétique du stator est réalisée en un matériau non magnétique et non conducteur de l'électricité, la périphérie du rotor présentant des évidements radiaux pour le logement des bobines. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les faces polaires actives des aimants permanents ont une forme de rectangle allongé dont le grand axe est dirigé radialement pour des bobines oblongues et dont les angles sont de préférence arrondis de manière à concentrer au maximum l'intensité magnétique, le rapport largeur/longueur desdits rectangles étant fonction de la forme des bobines, et par le fait que pour des bobines oblongues, la longueur est égale au grand axe intérieur de la bobine et la largeur au moins égale à la largeur extérieure de la bobine, l'écartement des faces intérieures des pôles étant sensiblement égal à l'écartement des pôles des aimants opposés entre lesquels tourne le disque, cet écartement étant lui-même fonction de l'épaisseur du disque et des contraintes de rotation sans frottements. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs disques rotoriques disposés parallèlement entre eux sur le même arbres chaque disque rotorique coopérant avec un stator à aimants permanents, lesdits stators étant magnétiquement isolés entre eux.