Brevet FR2471692A1 — publié le 19810619

692- I Moteur électrique inversé La présente invention concerne les moteursélectriquesinversésdans lesquels le rotor entoure ou enferme le stator. On a utilisé de telles structures lorsqu'une inertie élevée et une vitesse constante sont nécessaires, comme dans les gyroscopes, mais leur emploi a été peu fréquent du fait de mauvaises caractéristiques de dissipation de chaleur, d'un coût élevé et de-difficultés de démarrage. Par exemple, pour parvenir à l'auto-démarrage dans un certain moteur "inversé" de l'art antérieur fonc- tionnant à 50/60 Hz, il est nécessaire de monter les enroulements de stator sur un support présentant une sou- plesse qui permet un mouvement angulaire, ce support étant lui-même monté sur le carter du moteur. La structure de "moteur inversé" n'a pas fait l'objet d'applications commerciales à des moteurs économi- ques de très faible puissance, de type synchrone ou pas à pas. Ces moteurs ont de nombreuses applications,parmi lesquelles l'utilisation en tant que moteurs réversibles pour les dérouleurs de bande et les périphériques d'ordina- teur et en tant que moteurs pas à pas pour les enregistreurs graphiques à défilement et les imprimantes. La taille, le poids et le coût de fabrication sont des facteurs importants pour de tels moteurs. Un but de l'invention est de réaliserdes structu- res perfectionnées de "moteur inversé", et plus particulière- ment des structures de moteur dont la fabrication et l'assemblage soient simples et économiques. L'invention a plus particulièrement pour but de réaliser de nouvelles structures du type inversé pour des moteurs synchrones ou pas-à-pas de très faible puissance. Conformément à l'invention, un moteur de très fai- ble puissance à aimants permanents comprend un rotor à aimants permanents comportant une partie en forme de douille cylindrique qui définit un certain nombre de p8les de rotor aimantés de façon permanente, et un arbre qui supporte le rotor de façon que ce dernier puisse tourner autour de son axe. Le bâti du moteur comporte un noyau de support de l'arbre du rotor qui s'étend dans le volume interne que définit la douille de rotor. Une structure de stator annu- laire est montée à l'intérieur de la douille de rotor et sur le noyau de support de l'arbre de rotor, de façon à définir un entrefer annulaire entre la surface périphérique exté- rieure de la structure de stator et la surface périphérique intérieure de la douille de rotor. La structure de stator comporte des bobines annulaires montées sur un axe commun et une matière à perméabilité magnétique élevée qui forme un réseau circonférenciel de pâles de stator espacés autour des bobines, ce réseau s'étendant parallèlement à l'axe du moteur. La structure de circuit magnétique comprend une douille intérieure à perméabilité magnétique élevée (qui peut être réalisée d'un seul tenant avec d'autres parties de la structure de circuit magnétique) placée à la périphérie intérieure des bobines, sur le noyau de support, en établis- sant avec ce dernier un contact qui assure le transfert thermique. Le noyau de support d'arbre est en une matière dont la conductivité thermique est supérieure à celle de la douille intérieure et la chaleur qui est produite dans les bobines au cours du fonctionnement du moteur passe vers l'intérieur, vers le noyau conducteur de la chaleur, en tra- versant la douille à perméabilité magnétique élevée, puis elle circule axialement dans le noyau et sort du moteur, ce qui assure une action efficace de dissipation thermique. Dans des modes de réalisation préférés, une paire de bobines de stator annulaires sont alignées axialement en étant mutuellement empilées et des éléments de boîtier com- plémentaires enferment les bobines et définissent une série de pâles de stator qui sont répartis de façon équidistante à la périphérie extérieure de la structure de stator annulaire. Chaque élément de boitier comporte une plaque de base munie d'une ouverture centrale et une douille allongée qui est dis- posée à l'intérieur de la structure de stator annulaire et qui est en contact avec la surface périphérique intérieure de chaque ouverture de plaque de base. La douille associée aux éléments de boîtier métalliques établit des circuits magnéti- ques qui entourent les bobines de stator. Le bâti du moteur 247169-2 comprend une plaque de base réalisée d'un seul tenant avec le noyau. Un capot conducteur de la chaleur, qui entoure le rotor et qui est ajusté de façon serrée sur la base pour assurer un bon transfert thermique, fait fonction de radia- teur évacuant la chaleur qui lui est transmise par les bobi- nes, par l'intermédiaire du noyau et de la plaque de base. Le bâti du moteur est constitué par des matières telles que l'aluminium, le laiton et le zinc et des alliages de ces matières, et l'épaisseur de la base et du noyau dépasse avan- tagausement lO%,ou nmêe 20% du diamètre extérieur du moteur. Un conduit s'étend en direction axiale sur toute la longueur du noyau jusqu'à la plaque de base, à partir de l'une au moins des bobines de stator, et les conducteurs de cette bobine sont dirigés radialement vers l'intérieur à partir de la bobine puis cheminent dans le conduit jusqu'à la plaque de base, pour passer ensuite à l'extérieur du moteur. Dans un mode de réalisation particulier, la douille de rotor est composée de particules magnétiques noyées dans une matrice de matière plastique et elle est aimantée de façon à définir une série de pôles de rotor s'étendant axia- lement à sa périphérie. Le diamètre intérieur de la douille de rotor est inférieur à trois centimètres et l'épaisseur de sa paroi radiale est inférieure à cinq millimètres. Le rotor peut comporter facultativement un amortisseur à inertie. La douille de stator consiste de préférence en une tôle d'acier à perméabilité magnétique élevée à laquelle on a donné une forme cylindrique avec une fente axiale, et elle comporte des languettes grâce auxquelles les bobines de stator sont fixées mécaniquement ensemble, en position empilée. Chaque bobine de stator est bobinée sur un mandrin et chaque man- drin comporte un flasque d'extrémité dans lequel sont formées des gorges destinées à guider les conducteurs de la bobine vers la périphérie intérieure de la bobine de stator. Selon une configuration préférée, un premier condensateur est branché en série entre les deux bobines de stator et un second condensateur, destiné à un réglage fin, est branché en parallèle avec l'une des bobines destator pour produire un déphasage du courant d'environ 900 entre les deux bobi- 2471 692 nes de stator. L'invention offre une structure de moteur qui est simple et de taille réduite et qui résout les problèmes de dissipation thermique et évite les problèmes de blocage inertiel, sans être pénalisée par une diminution de couple. Parmi les avantages des configurations de "moteur inversé" correspondant à l'invention, on peut citer un couple de sortie élevé pour une taille donnée et un coût inférieur. Par exemple, le coût du cuivre représente une partie impor- -tante du coût total du moteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture'de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés,sur lesquels-: La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un moteur électrique réversible de très faible puissance correspondant à l'invention; La figure 2 est une représentation éclatée du moteur qui est représenté sur la figure 1; La figure 3 est une représentation éclatée d'élé- ments de la structure de stator du moteur qui est représenté sur la figure 1; La figure 4 est une coupe transversale selon la ligne 4-4 de la figure 1 La figure 5 est une coupe transversale selon la ligne 5-5 de la figure 1 La figure 6 est une représentation en perspective de certaines parties du moteur représenté sur la figure 1, avec des parties arrachées; et La figure 7 est un schéma qui montre l'interconne- xion des bobines de stator dans le moteur de la figure 1. La coupe de la figure 1 et la représentation écla- tée de la figure 2 montrent un moteur électrique à aimants permanents de type réversible et de très faible puissance qui a un diamètre d'environ trois centimètres et une hauteur d'environ quatre centimètres. Le moteur est conçu pour être alimenté par une source à 110 volts, 50 hertz et son couple de sortie est d'environ 1,5 N.cm. Il convient à l'utilisation 2471692. en tant que moteur synchrone ou que moteur pas à pas. Le moteur comprend un capot cylindrique en aluminium étiré, 12, qui est fermement appliqué sur un rebord périphérique 14 d'un bâti en zinc 16, coulé sous pression, en établissant avec lui un contact qui assure un bon transfert thermique. Le bâti 16 comporte une base cylindrique 18 (d'environ 0,5 cm de hau- teur) dans laquelle est formée une gorge radiale 20, et un noyau cylindrique vertical 22, réalisé d'un seul tenant avec la base, qui a un diamètre d'environ 1 cm et une hauteur d'environ 2,2 cm. Le noyau 22 comporte une gorge axiale 24 dans sa paroi extérieure. Il comporte également un alésage interne coaxial 26 dans lequel des paliers d'arbre 28, 30 sont emmanchés à la presse. tJne cavité annulaire 32 est for- mée dans la base 18 autour de l'extrémité inférieure du noyau 22 et l'extrémité supérieure du noyau 22 présente une légère conicité. Une structure de stator 40 est montée sur le'noyau 22 et elle comporte deux sous-ensembles de bobine de stator 42, 44 et une douille 46, en acier à perméabilité magnétique élevée, dont le diamètre intérieur est d'environ 1 cm, la longueur est d'environ 2,5 cm et l'épaisseur de paroi est d'environ 0,8 mm. Les sous-ensembles de bobine de stator 42, 44 sont empilés sur la douille 46 et des languettes 50 de la douille sont courbées vers l'extérieur pour fixer ensemble les éléments constitutifs - de la structure de stator. La structure de stator 40 est emmanchée à la presse sur le noyau 22 de façon que la surface intérieure de la douille 46 établisse un bon contact avec la surface extérieure du noyau 22, pour assurer la conduction de la chaleur entre ces élé- ments. Un rotor 60 comprend une douille cylindrique à paroi mince, 62, qui mesure environ 2,5 cm de longueur, envi- ron 3 cm de diamètre extérieur et 0,25 cm d'épaisseur de paroi. La douille de rotor comprend un grand nombre de parti- cules magnétiques (ferrite au baryum, samarium-cobalt ou Alnico 8, par exemple) noyées dans une matrice de fixation qui est formée par une matière synthétique rigide (par exem- ple du Nylon) et aimantées de façon à définir 24 pôles de rotor dirigés axialement (12 paires de pôles), à la périphé- rie de la douille de rotor 62. Un disque de support 64, formé d'un seul tenant avec la douille 62 à une extrémité de celle-ci comporte un logement 66 qui reçoit l'extrémité supérieure de l'arbre 68 du moteur. L'arbre 68 traverse l'alésage 26, il est supporté par les paliers de douille 28 et 30 et il est retenu par une bague élastique 70. Dans le mode de réalisation qui est représenté, le disque de support 64 définit une cavité 72 dans laquelle est logé un disque amortisseur à inertie 74, en laiton, qui est supporté de façon à pouvoirtourner dans de l'huile d'amortissement. La cavité 72 est fermée par un couvercle 76. En considérant la représentation éclatée de la figure 3 et les représentations des figures 4 et 6, on voit que chaque sous-ensemble de bobine de stator comprend une bobine 80 ayant environ 4000 spires de fil de cuivre de- 0,11 mm de diamètre qui sont bobinées sur un mandrin en matière plastique 82 et sont maintenues par une bande de protection 84. Le flasque supérieur 86 de chaque mandrin 82 comporte une fente radiale 87 par laquelle passe l'extrémi- té intérieure 88 du fil de la bobine 80, et une encoche périphérique 89 par laquelle passe l'extrémité extérieure 90 du fil de la bobine 80. Le flasque 86 comporte une première gorge 91 en forme d'arc dans laquelle est placé un conduc- teur 92 (connecté à l'extrémité extérieure 90 du fil de la bobine 80) et une seconde gorge 93, en forme d'arc, dans laquelle est placé un conducteur 94 (connecté à l'extrémité intérieure 88 du fil de la bobine 80). Une cavité radiale 96 qui est formée dans le flasque 86 forme un passage vers l'intérieur pour les conducteurs 92 et 94, depuis les gorges 91 et 93 jusqu'à la périphérie intérieure du mandrin 82. Chaque flasque 86 comporte également un ergot vertical de positionnement 98 à sa-périphérie intérieure et des paires d'ergots d'alignement 100 réparties à sa périphérie exté- rieure. Les positions de la fente 87, de l'encoche 89 et de l'ergot 98 ont été décalées de façon angulaire sur la figure 6 pour la clarté de la représentation. Une feuille d'isolant 102 recouvre le flasque supérieur 86. Chaque sous-ensemble de bobine de stator comprend également deux éléments de bottier complémentaires, 104, 106, en acier à perméabilité magnétique élevée, quienferment la bobine 80. Chaque élément de bottier comporte une plaque de base annulaire 108 munie d'une ouverture cylindrique 110 dans laquelle est formée une encoche d'alignement 112, et une série de pôles de stator 114, réalisés d'un seul tenant avec la plaque 108, qui s'étendent à angle droit à partir de zones de raccordement courbées qui se trouvent à la péri- phérie extérieure de la plaque de base 108. Les deux éléments de boîtier complémentaires 104, 106 sont mutuellement imbri- qués par glissement axial sur la bobine 80, avec les pointes de certains des pôles 114 de l'élément de boîtier inférieur logées entre les ergots d'alignement 100 du flasque 86 et avec l'ergot vertical 98 logé dans l'encoche 112 de l'élément de boîtier supérieur 104. Les pi.èces polaires 114 de l'élé- ment de boîtier supérieur 104 sont imbriquées entre les pièces polaires 114 de l'élément de boîtier inférieur avec un écartement angulaire précis et uniforme de façon à former un réseau annulaire de 24 pôles de stator. Les deux sous-ensembles de bobine de stator 42, 44 sont ensuite empilés avec l'ergot 98 du sous-ensemble infé- rieur 44 placé dans l'encoche d'alignement 112 de l'élément de boîtier inférieur 106 du sous-ensemble supérieur 42, (comme il est indiqué sur la figure 1), de façon que'le réseau annulaire de pôles de stator 114 du sous-ensemble supérieur 42 présente un décalage angulaire de 7,50 par rapport- au réseau annulaire de pôles de stator 114 du sous-ensemble inférieur 44. On introduit la douille 46 dans les ouvertures 110 des éléments de boîtier 104, 106 et on courbe vers ]'extérieur les languettes supérieures et inférieures 50, sur les éléments de bottier, pour accoupler les deux sous- ensembles de bobine de stator de façon qu'ils ne forment qu'un seul ensemble, comme il est représenté sur la figure 2. La douille 46 vient fermement en contact avec les éléments de boîtier 104, 106 et elle complète des circuits magnéti- ques qui entourent chaque bobine de stator. Les surfaces 48 des bords axiaux de la douille 46 sont distantes d'environ 2471 692 0,5 cm et elles définissent entre elles une fente axiale 49 dans laquelle sont disposés les conducteurs 90 et 94 de chaque bobine. On fait ensuite glisser la structure de stator 40 sur le noyau 22 et-on la fait reposer sur la base 18, avec la fente 49 de la douille 46 alignée avec la gorge 24 du noyau 22, pour former un conduit pour les conducteurs. Les conduc- teurs 92, 94 des bobines sont placés dans ce conduit axial et ils sortent par une gorge radiale 20 qui se trouve au bas de la gorge *24, de façon que les extrémités des conducteurs passent à l'extérieur du bâti. On place ensuite la douille 62 du rotor 60 sur la structure de stator, avec l'arbre 68 du rotor passant dans le noyau 22 et retenu en position au moyen de la bague élastique 70, de manière à définir un entrefer annulaire 120 entre les surfaces extérieures des pôles de. stator 114 et la surface *intérieure de la douille de rotor 62, comme le montrent les figures 4 et 5. En par- ticulier, en plaçant ainsi les conducteurs 92 et 94 des bobines dans le conduit qui *est formé par la fente axiale 49, entre les surfaces de bord 48 de la douille 46 du cir- cuit magnétique et la gorge 24 formée dans le noyau 22, conducteur de la chaleur, on parvient à réaliser une struc- ture efficace et de faible encombrement. La figure 7 montre une interconnexion dés bobines supérieure et inférieure 80A et 80B qui assure le déphasage nécessaire du courant entre ces bobines lorsqu'une source de courant alternatif monophasé est branchée aux bornes 122, 124. Un condensateur 126 de 0,2 pF est branché entre les conducteurs 92A et 92B et un condensateur 128 de 0,1 yF est branché entre les conducteurs 92A et 94B. Au cours du fonctionnement, la chaleur qui est produite dans les bobines se dirige radialement vers l'inté- rieur en direction du noyau 22, conducteur de la chaleur, en traversant la douille de circuit magnétique 46. La chaleur circule ensuite axialement vers la base agrandie 18 du bâti. Une partie de la chaleur peut être rayonnée ou conduite à partir de la face d'extrémité de la base 18. Cependant, la majeure partie de la chaleur circule ensuite radialement vers l 'extérieur dans la base 18 et pénètre dans le capot d'alu- minium 12, ajusté de façon serrée, ce capot faisant fonction de radiateur évacuant la majeure partie de la chaleur des bobines. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique comprenant: un rotor (60) qui comporte une douille cylindrique (62) définissant plusieurs pôles de rotor, un arbre (68) qui supporte le rotor de façon qu'il puisse tourner autour de son axe, un bâti de moteur (16) qui comprend un noyau de support d'arbre de rotor (22) s'étendant dans le volume interne que définit la douille de rotor (62), et une structure de stator annulaire (40) qui est montée à l'intérieur de la douille de rotor, sur le noyau de support d'arbre de rotor (22), avec un entrefer annulaire entre la surface périphérique extérieure de la structure de stator (40) et la surface périphérique inté- rieure de la douille de-rotor (62), cette structure de stator (40) comprenant des bobines annulaires (80) qui sont montées sur un axe commun et une structure de circuit magnétique (104, 106) en une matière à perméabilité magnétique élevée qui définit un réseau circonférenciel de pôles de stator répartis autour des bobines (80), en s'étendant parallèle- ment à l'axe, et qui forme un circuit magnétique autour des bobines, caractérisé en ce que la structure de circuit magnétique comprend une douille (46) à perméabilité magné- tique élevée qui se trouve à la périphérie intérieure des bobines (80), le noyau de support d'arbre (22) est en une matière ayant une conductivité thermique supérieure à celle de la douille intérieure (46) et cette douille intérieure @(6) est placée sur le noyau de support, en établissant avec lui un contact qui assure la conduction de la chaleur, de façon que la chaleur qui est produite dans les bobines (80) passe vers l'intérieur en traversant la douille à perméabi- lité magnétique élevée (46), pour se diriger vers le noyau conducteur de la chaleur (22) et circule ensuite axialement dans le noyau (22) et sorte du moteur. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bâti du moteur (16) consiste en une pièce d'un seul tenant fabriquée en une matière choisie parmi l'alumi- nium, le laiton, le zinc et leurs alliages. 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2471 692 il 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un capot (60) con- ducteur de la chaleur et faisant fonction de radiateur qui entoure le rotor et qui est en liaison thermique avec le noyau (22). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la douille (46) comprend des languettes (50) qui fixent mécaniquement l'une à l'autre deux bobines de stator (80) de façon à les maintenir empi- lées. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la douille (46) consiste en une tôle à laquelle on a donné une forme cylindrique, avec des bords axiaux (48) espacés qui définissent une fente axiale (49) dans laquelle s'étendent des conducteurs (92, 94) d'une bobine (80). 6. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que la douille (46) a une perméabilité magnétique supérieure à celle du noyau (22). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre extérieur du noyau conducteur de la chaleur (22) est supérieur à 20% du diamètre extérieur du moteur. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que chaque bobine de stator (80) est bobinée sur un mandrin (82) qui comporte un flasque d'extrémité (86) dans lequel sont formées des gorges (92, 93) destinées à guider les conducteurs de la-bobine de stator jusqu'à la périphérie intérieure de cette dernière. 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque mandrin (82) comporte plusieurs ergots d'alignement angulaire, comprenant au moins un ergot dirigé axialement (98) et au moins un ergot dirigé radialement (100). 10. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions'1 à 9, caractérisé en ce que la douille (46) et le noyau (22) définissent conjointement un conduit axial (24, 49) qui siétend à l'intérieur de l'une au moins des bobines de stator (80), le long du noyau (22) jusqu'à la base (18), et les conducteurs (92, 94) de l'une au moins des bobines (80) sont dirigés radialement vers l'intérieur pour pénétrer dans le conduit (24) et cheminent dans ce dernier jusqu'à la base (18) d'o ils sortent à l'extérieur du moteur. 11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le noyau (22) comporte une gorge axiale (24) et la douille (46) comporte une fente axiale (49) qui est ali- gnée avec la gorge (24) pour définir le canal axial dans lequel sont-disposés les conducteurs (92, 94) de la bobine. 12. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que le rotor (60) a une forme en cuvette et la douille de rotor (62) a une longueur axiale au moins égale à celle de la structure de stator (40); la douille de rotor (62) a un diamètre intérieur inférieur à 3 cm et une épaisseur radiale inférieure à cm; et la douille de rotor (62) comporte un grand nombre de particules magnétiques noyées dans une matrice de matière plastique et aimantées de façon à définir ledit réseau de pôles de rotor s'étendant-axialement à la périphérie de la douille de rotor, de manière que les pâles de rotor recou- vrent tous les pôles de stator (114)-. 13. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un amortis- seur à inertie (74) réalisé d'un seul tenant avec le rotor. 14. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un premier condensateur (126) qui est branché en série entre deux bobi- nes de stator (80A, 80B) et un second condensateur (120), de valeur inférieure et destiné à un réglage fin, qui est branché en parallèle avec l'une des bobines de stator (80B) pour produire un déphasage du courant d'environ 90 entre les deux bobines dV stator (80A, 80B).