Brevet FR2467504A1 — publié le 19810417

La présente invention concerne un moteur à cou- rant continu et plus spécialement un moteur à courant continu à démarrage facile comportant des dispositifs de commutation au lieu d'un collecteur ordinaire. La plupart des moteurs à courant continu classiques comportant des dispositifs de commutation sont munis d'une pluralité d'enroulements de stator et d'un rotor ayant le même nombre de pôles d'aimants permanents qui sont disposés suivant le même pas angulaire que celui des enroulements du stator. Les enroulements du stator et les pôles des aimants permanents du rotor sont disposés avec des pas angulaires égaux autour de l'axe du moteur. Dans un moteur à courant con- tinu classique de ce type, si le rotor se trouve en un endroit o les pôles de ses aimants permanents se trouvent en regard des pôles du stator et que la polarité des pôles se faisant face est la même, l'aimant du rotor sera vraisemblablement repoussé dans l'un ou l'autre des deux sens de rotation. Ce- pendant, si les pôles en vis-à-vis sont exactement en regard, l'équilibre des puissances magnétiques de répulsion rend im- possible le démarrage du rotor. Si les polarités des pôles en regard sont opposées, chaque aimant du rotor est attiré par le stator. Par conséquent, il existe deux sortes de points morts dans un moteur à courant continu classique. Le premier est un point mort instable et le second un point mort stable. 2. Si le rotor se trouve dans ces deux points morts, le moteur ne peut démarrer même s'il est alimenté en courant électrique. De façon à résoudre le problème des points morts, un moteur à rotor particulier a été proposé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3. 299.335 aux noms!dé Wessels et autres. Le rotor de ce moteur de l'art antérieur est constitué de parties magnétiques et de parties non magnétiques qui sont placées sur la circonférence du rotor, ces dernières étant placées entre des paires successives de pôles de parties ma- gnétiques. Avec une telle structure, ce moteur peut démarrer quelle que soit la position angulaire du rotor. Cependant, dans ce moteur à courant continu classi- que, le rotor est constitué de plusieurs parties, et deux sortes différentes de matériaux c'est-à-dire les parties ma- gnétiques et les parties non magnétiques sont liées les unes aux autres. Par conséquent, le moteur a l'inconvénient d'être difficile à fabriquer puisque des composants en forme d'arc de nature différente doivent être réunis de façon à former un anneau ayant un équilibrage précis en rotation, et d'avoir un rotor pouvant se rompre par suite des effets de la force centrifuge. La présente invention prévoit un moteur à courant continu qui ne comporte aucun point mort, et peut démarrer quelle que soit la position du rotor. Le rotor du moteur à courant continu de la présente invention peut être constitué d'un matériau uniforme autour de sa position angulaire, à la suite de quoi le rotor peut être fabriqué très facilement et est durable. Dans le cas o un détecteur magnétique est uti- lisé pour détecter la rotation du rotor, l'un des aimants du rotor peut être utilisé en soi pour appliquer un flux magné- tique alternatif à ce détecteur. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels La figure 1 est une vue en plan schématique d'une structure fondamentale d'un moteur à courant continu selon la présente invention; 3. Les figures 2(a) à 2(f) sont des courbes représentant la répartition de la densité de flux d'un moteur à courant continu en fonction de la position angulaire autour de l'axe du rotor;. La figure 3 est une vue en plan d'un premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 4 est une vue en perspective des anneaux magnétiques du rotor d'un second mode de réalisation de la présente invention; La figure 5 est une vue en plan du stator du second mode de réalisation de la présente invention; La figure 6 est une vue en élévation en coupe du moteur du second mode de réalisation de la présente inven- tion; et Les figures 7(a), 7(b) et 7(c) sont des courbes re- présentant les répartitions de la densité de flux du moteur du second mode de réalisation de la présente invention en fonc- tion de la position angulaire autour de l'axe du rotor. Dans la figure 1 des dessins, un stator 1 de forme cylindrique comporte deux pôles principaux 2a et 2b diagona- lement opposés, c'est-à-dire placés à 1800 l'un de l'autre par rapport à l'axe du rotor, et deux bobines de champ 2a' et 2b' sont enroulées autour des pôles principaux 2a et 2b, res- pectivement. Un rotor 3 est fixé directement ou indirectement à un arbre 4 dans le stator 1. Le rotor 3 comprend deux ai- mants permanents 5 et 6 qui sont reliés coaxialement ou fixés sur l'arbre 4. L'aimant permanent 5 comporte deux pôles prin- cipaux (pôles nord et sud) diagonalement opposés, c'est-à-di- re situé à 1800 l'un de l'autre par rapport à l'axe, comme cela est représenté en figure 1. L'aimant permanent 6 com- prend quatre pôles auxiliaires placés en croix, d'une manière telle que les pôles opposés soient situés à 90 l'un de l'au- tre par rapport à l'axe, ét chaque pôle de l'aimant permanent est placé entre les pôles de l'aimant permanent 6, s'agis- sant de la position angulaire autour de l'axe du rotor 3. La surface de l'aimant permanent 5 représenté en figure 1 est su- périeure à celle de l'aimant permanent 6, et par conséquent 4. la force magnétique exercée par le premier aimant est supé- rieure à celle du second. Les bobines de champ 2a', 2b' sont alternativement alimentées et coupées en fonction de la rota- tion du rotor 3 au moyen d'un détecteur de position de rotor, comprenant, par exemple, un dispositif à effet Hall. Les ins- tants de commutation des bobines de champ 2a' et 2b' sont syn- chrones avec un changement de polarité du flux magnétique des pôles principaux 2a et 2b dû à l'aimant 5. De façon à effec- tuer cette synchronisation de la commutation, le dispositif à iO effet Hall est placé en un endroit situé directement en face de l'aimant 5. Lorsque la bobine de champ 2a' est excitée, un flux magnétique est induit dans le stator 1, et la répartition de la densité de flux en fonction de la position angulaire de l'arbre 4 du stator 1 est représentée en figure 2a. La posi- tion angulaire donnée en abscisse des figures 2a à 2f corres- pond à la position angulaire représentée en figure 1. En figu- re 2a, la répartition de la densité de flux du stator l a une forme telle qu'elle peut étre divisée en deux composantes, l'une d'elles étant une composante fondamentale représentée en figure 2b et l'autre une composante auxiliaire représentée en figure 2c; A la position 0 o se trouve le centre du pô- le principal 2a, la composante fondamentale et la composante auxiliaire ont leur valeur de pointe dans la répartition de la densité de flux et la composante auxiliaire a la forme d'une harmonique de rang 2 de la composante fondamentale. Aux instants ix\diqués en figures 1 et 2,le pôle principal 2a (an- gle de phase e = 0O) est excité pour constituer un pôle nord et l'autre pôle principal 2b un pôle sud. D'autre part, dans le rotor 3 de la figure 1, les aimants permanents 5 et 6 ont une répartition de densité de flux qui est représentée en figures 2(d) et 2(e) respectivement. C'est-à-dire que la ré- partition du flux de l'aimant permanent 5 est sensiblement la même que celle de la composante fondamentale du stator 1, et celle de l'aimant permanent 6 est sensiblement la même que celle de la composante auxiliaire, mais la phase de la répar- tition de la densité de flux de l'aimant permanent 6 est dé- 5. calée de 450 par rapport à celle de la composante auxiliai- re comme cela est représenté dans les figures 2(c) et 2(e). Dans ces circonstances, l'aimant permanent 5 du rotor 3 se trouve au point mort instable, étant donné que l'équilibre de la force magnétique de répulsion s'exerçant entre l'aimant permanent 5 et le stator 1 est maintenu comme indiqué en figures 2(b), 2(c) et 2(d). Cependant, une force magnétique s'exerçant entre l'aimant permanent 6 et le sta- tor 1, c'est-à-dire la force magnétique s'exerçant entre l'aimant permanent 6 et la composante auxiliaire de la répar- tition de la densité de flux, provoque la rotation du rotor 3 dans le sens des aiguilles d'une montre représentée par la flèche A de la figure 1. Pendant la rotation du rotor 3, un couple ayant le sens des aiguilles d'une montre est produit entre l'aimant permanent 5 et la composante fondamentale de la répartition de la densité de flux, et le rotor 3 continue à tourner. Lorsque le rotor tourne à 1800 et atteint le point mort stable, o l'aimant permanent 5 est attiré par le sta- tor 1 pour y être maintenu, l'excitation de la bobine de champ 2a' est arrêtée et la bobine de champ 2b' est alors ex- citée. La répartition de la densité de flux du stator 1 exci- tée par la bobine de champ 2b' prend alors la forme représen- tée en figure 2(f). A ce moment là, par commutation de l'ex- citation, un point mort instable se produit de nouveau entre le pâle principal 2b excité alors pour donner un pôle nord et le pôle N de l'aimant permanent 5. Cependant, le rotor 3 continue à tourner dans le même sens (sens des aiguilles d'une montre) par suite de la force magnétique s'exerçant en- tre l'aimant permanent 6 et le stator 1 et de la force d'iner- tie. Ainsi, après passage au point mort instable, un couple agissant dans le sens des aiguilles d'une montre est produit entre l'aimant permanent 5 et la composante fondamentale de la répartition de la densité de flux de la même façon que dans le cas précédent. Par conséquent, le moteur continue à tourner. EXEMPLE 1 La figure 3 représente un moteur à courant continu 6. du type à rotor intérieur à deux pôles selon la présente invention. En figure 3, le stator 11 comporte deux pôles principaux 21a et 21b diamétralement opposés et deux pôles supplémentaires 21c et 21d qui sont disposés chacun entre les pôles principaux 21a et 21b. Les pôles supplémentaires 21c et 21d servent à produire une composante auxiliaire de la répartition de la densité de flux du stator 11. Des bo- bines de champ 21a' et 21b' sont enroulées autour des cols des pôles principaux 21a et 21b. Une extrémité des deux bobines de champ 21a' et 21b' est connectée à des transistors de commutation Trl et Tr2, respectivement, et l'autre extré- mité des bobines à une source E de tension continue. Le rotor 31 de ce mode de réalisation de la présente invention est - identique à celui de la figure 2. Un jmoyen de détection, par exemple, un dispositif HD à effet Hall est placé devant le pôle supplémentaire 21c afin de détecter la rotation du rotor 31. Les signaux de rotation produits par le dispositif HD synchronisés à la variation du flux magnétique de l'aimant permanent 5 sont appliqués à un circuit de commutation 71 qui comprend, par exemple, un circuit à bascule et commande les transistors de commutation Trl et Tr2, alternativement,de façon à ce qu'ils deviennent conducteurs. Grâce à une telle structure, le courant circulant dans les bobines de champ est commuté par les transistors Trl et Tr2 en synchronisme avec la rotation du moteur 31. EXEMPLE 2 Les figures 4, 5 et 6 représentent un mode de réa- lisation d'un moteur à courant continu du type à rotor exter- ne selon la présente invention. Dans ce mode de réalisation, le rotor 32 de type externe a une forme cylindrique comportant un trou, c'est-à-dire en forme de tube de courte longueur ou anneau comme représenté en figure 4. Le rotor 32 de ce mode de réalisation est constitué d'un premier aimant permanent en forme d'anneau 52 comportant quatre pâles et d'un second aimant permanent en forme d'anneau 62 comportant huit pôles auxiliaires. Les pâles nord et sud des aimants permanents 52 et 62 sont disposés alternativement sur la périphérie,et 7. une des deux faces de chaque pôle de l'aimant permanent 62 est appliquée contre les pôles de l'aimant permanent 52 com- me cela est représenté en figure 4. Les aimants permanents 52 et 62 ont les mêmes diamètres intérieurs et extérieurs et la même épaisseur. Cependant,la hauteur "a" de l'aimant per- manent 52 est supérieure à la hauteur "b" de l'aimant per- manent 62, de sorte que la force magnétique de l'aimant 52 est supérieure à celle de l'aimant 62. Les deux aimants per- manents en forme d'anneau 52 et 62 sont liés coaxialement l'un à l'autre autour de l'axe du rotor 32. Le stator 12 de ce mode de réalisation comporte quatre pôles principaux 22a, 22b, 22c et 22d, et quatre pôles supplémentaires 22e, 22f, 22g et 22h, qui sont chacun placés entre les pôles précé- dents. Les pôles supplémentaires 22e à 22h servent à produire la composante auxiliaire de la répartition de la densité de flux. Des bobines de champ 22a' et 22e', qui sont enroulées sur les pôles principaux respectifs 22a et 22c, sont connec- tées en série entre une source de tension continue E et un transistor de commutation Tr3. Des bobines de champ 22b' et 22d', qui sont enroulées sur les pôles principaux respectifs 22b et 22d, sont connectées en série entre une source de ten- sion continue E et un transistor de commutation Tr4. Un dispositif à effet Hall HD permettant la détection de la rota- tion du rotor 32 est maintenu près du pôle supplémentaire 22f et applique les signaux détectés à un circuit de commutation 72. Le circuit 72 comprend, par exemple, une bascule et com- mande la venue alternative à l'état conducteur des transistors de commutation Tr3 et Tr4 en fonction de la rotation du rotor 32. Comme cela est représenté en figure 6, le stator 12 est fixé sur une base 13 d'une carcasse de moteur. Le rotor 32 est disposé autour du stator 12 et fixé à une partie à flas- que 33 d'un couvercle 34. Le couvercle 34 est maintenu en ro- tation sur la base 13 par un arbre 42 monté dans un roule- ment 14. Dans ce mode de réalisation, la répartition de la densité de flux du stator 12 au moment o les bobines de champ 22a' et 22c' sont excitées est représentée en figure 8. 7(a). Comme le montre cette figure, la forme de la réparti- tion de la densité de flux est semblable à celle de la. figure 2(a), mais a une fréquence double de celle du premier exem- ple. Comme dans le premier exemple, la répartition de la densité de flux du stator 12 peut être ransenée à deux compo- santes, c'est-à-dire une composante fondamentale et une compo- sante auxiliaire. La répartition de la densité du flux des aimants permanents 52 et 62 du rotor 32 est également sembla- ble à celle des figures 2(d) et 2(e), mais avec une fréquen- ce double. Par conséquent, le moteur de ce mode de réalisation peut démarrer quelle que soit la position angulaire du rotor comme cela a été décrit précédemment. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, la composante auxiliaire de la répartition de la densité du flux du stator est une onde harmonique de rang 2 de la composante fondamentale. Cependant, la composante auxiliaire peut être n'importe quelle onde harmonique de rang paire de la composante fondamentale. Le moteur à courant continu de la présente inven- tion ne comporte pas de points morts comme cela est le cas des moteurs classiques, et par conséquent peut démarrer pour toute position angulaire de son rotor. En outre, le rotor de la présente invention ne comprend que deux anneaux magné- tiques qui présentent une très bonne résistance à la force centrifuge, et le moteur est facile à fabriquer et est très robuste.En outre, dans le cas o l'on fait appel à un dispo- sitif à effet Hall comme moyen de détection de la rotation, il n'est pas nécessaire d'utiliser d'autres aimants pour pro- duire un flux magnétique alternatif destiné au dispositif à effet Hall afin de permettre la synchronisation avec la rota- tion du rotor. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- traire susceptible de variantes et de modifications qui appa- raitront à l'homme de l'art. 9. REVENDICATIONS 1 - Moteur à courant continu comprenant un rotor à aimants permanents et un stator comportant au moins deux bobines d'excitation o un courant continu appliqué aux bobi- nes d'excitation est commuté alternativement en fonction de la position angulaire du rotor, caractérisé en ce que: - le stator comporte un nombre prédéterminé de pôles principaux devant être excités par les bobines d'excitation et produit un flux magnétique ayant une répartition, en fonc- tion de la position angulaire de l'axe du stator, qui com- prend une composante fondamentale d'une répartition de la den- sité de flux en forme d'onde et une composante auxiliaire d'une répartition de la densité de flux d'une onde harmonique de rang pair de la répartition de densité de flux en forme d'onde, l'onde harmonique ayant une pointe pour la même posi- tion angulaire qu'une pointe de l'onde de la composante fon- damentale, - le rotor comporte un premier aimant et un second aimant, le premier aimant ayant le même nombre de pôles que les pôles principaux, le premier aimant ayant une première répartition de flux par rapport aux positions angulaires de l'axe du rotor, cette première répartition de flux ayant sen- siblement la même forme que celle de la composante fondamenta- le, et le second aimant comportant le nombre pair de pôles de rotor auxiliaires et ayant une seconde répartition de densi- té de flux par rapport à la position angulaire de l'axe du rotor, cette seconde répartition de flux étant sensiblement de même forme que la répartition de la densité de flux de la composante auxiliaire, mais une pointe d'onde de la seconde répartition de densité de flux étant décalée d'un angle pré- déterminé par rapport à une pointe d'onde de la composante auxiliaire, les premier et second aimants étant disposés coaxialement sur l'axe du rotor; 2 - Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composante auxiliaire de la répar- tition de la densité du flux du stator est une onde d'harmo- nique de rang 2 de la composante fondamentale. 10. 3 - Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier aimant a une force magné- tique supérieure à celle du second aimant. 4 - Moteur à courant continu selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les premier et second aimants du rotor sont des aimants permanents. - Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stator comporte des pôles supplé- mentaires entre les pôles principaux, respectivement. 6 - Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second aimants sont liés l'un à l'autre. 7 - Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un circuit de commutation est connec- té en série aux bobines d'excitation, et en ce que ce circuit de commutation comprend un moyen pour détecter la variation du flux magnétique du premier aimant du rotor, de façon à en provoquer la commutation.