Brevet FR2464591A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne les moteurs liné- aires à courant continu et à aimant permanent et plus pré- cisément les servomoteurs et moteurs de traction de type linéaire, à courant continu et à aimant permanent. Les machines électriques à déplacement linéaire sont relativement récentes, en comparaison des machines électriques rotatives, mais elles ont des applications de plus en plus grandes étant donné l'absence d'engrenages et d'autres convertisseurs de mouvement rotatif en mouve- ment rectiligne. L'ouvrage "Linear Motion Electric Machines", (Wiley) de S.A. Nasar et I. Boldea passe en revue les mo- teurs linéaires, à titre illustratif. Les progrès réalisés dans le domaine se sont essentiellement concentrés sur les moteurs linéaires synchrones ou d'induction. Ainsi, un mo- teur linéaire d'induction à deux faces, utilisé pour les véhicules suspendus, est décrit dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n0 3 895 585. De manière analogue, les bre- vets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 706 922 et 3 594 622 décrivent des moteurs synchrones linéaires. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 884 154 décrit un arrangement de propulsion comportant un moteur linéaire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 037 122 décrit un moteur pas à pas linéaire. Dans certaines applications, les moteurs linéaires à courant continu sont préférables aux moteurs linéaires d'induction ou synchrones. Par exemple, les moteurs liné- aires à courant continu sont particulièrement avantageux dans les applications nécessitant des courses courtes. L'un des facteurs qui limitent l'utilisation des moteurs élec- triques linéaires est le faible rendement présenté par ces moteurs jusqu'à présent. Cette caractéristique est due habituellement au fait qu'une partie seulement des enroule- ments se trouve sous les pâles à un moment quelconque alors que de l'énergie est dissipée dans tous les enroulements. Il s'agit du facteur limitateur dans le moteur à bobine mobile. Pour cette raison, les moteurs à bobine mobile ayant des courses supérieures à 2,5 cm environ ont un très mauvais rendement. Un autre facteur limitateur est fixé par les forces importantes d'attraction entre diverses par- ties des moteurs, si bien que les structures de support doivent être robustes et/ou les tolérances entre des élé- ments en regard délimitant un entrefer doivent être serrées. L'encaissement de ces forces et/ou le respect de ces tolé- rances sur de grandes distances linéairement sont coûteux. Enfin, jusqu'à une époque très récente, les-forces maximales produites par un moteur linéaire étaient limitées très fortement par les effets de désaimantation, sauf dans le cas d'aimants céramiques dont le rapport énergie/poids est trop faible pour qu'ils puissent être utilisés en pratique dans de tels moteurs. Le moteur linéaire à aimant permanent selon l'invention ne présente pas les inconvénients précités et comporte un organe portant plusieurs enroulements formés sur une structure magnétique munie de fentes, et un dis- positif de commutation associé à cet organe est destiné à être connecté à une alimentation continue; le moteur comprend en outre un organe inducteur mobile par rapport à l'organe à enroulements, l'organe inducteur ayant un dis- positif à aimant permanent destiné à créer un champ magné- tique et un dispositif destiné à exciter certains au moins des enroulements, à un moment donné, avec un courant con- tinu, le champ magnétique créé par le dispositif à aimant permanent interagissant avec le champ créé par les en- roulements excités si bien que l'organe inducteur se déplace par rapport à l'organe à enroulements; le moteur comporte en outre un support destiné à assurer le maintien d'un ou plusieurs entrefers entre l'organe à enroulements et l'or- gane inducteur. Plus précisément, l'invention concerne les mo- teurs linéaires continus à aimant permanent ayant un organe à enroulements et un organe inducteur. L'organe à enroule- ments peut être fixe ou mobile. Il comporte une série d'enroulements formés sur une structure magnétique à fentes. Dans certains modes de réalisation, l'organe à enroulements porte une série de barres de commutateur, raccordées aux enroulements. Dans certains modes de réalisation comportant des barres de commutateur, des barres collectrices sont destinées à être reliées à une alimentation continue. L'organe inducteur peut être fixe ou mobile. Lorsqu'il est mobile, il peut être sous forme d'un chariot qui se déplace le long de l'organe à enroulements. Dans les modes de réalisation dans lesquels l'organe à enroulements comporte des barres collectrices et des barres de commuta- teur, l'organe inducteur comporte des balais pour les bar- res collectrices, glissant sur ces barres, et des balais de commutateur reliés aux balais des barres collectrices et glissant sur les barres de commutateur, si bien que les enroulements sont alimentés. L'organe inducteur comporte aussi des aimants permanents qui créent des champs magnétiques destinés à interagir avec les courants circulant dans les enroulements excités, et à provoquer ainsi un déplacement relatif des deux organes. La force produite par le moteur a une ampli- tude proportionnelle à l'intensité du courant circulant dans les enroulements et un sens qui est fonction du sens de ce courant. Comme seuls les enroulements qui se trouvent sous les pôles de l'organe inducteur sont alimentés, les enroulements non alimentés et la structure magnétique for- ment un radiateur de grande dimension qui contribue à l'obtention d'une puissance nominale élevée en fonctionne- ment continu. Le moteur selon l'invention a aussi une structure de support qui assure le maintien d'entrefers entre l'or- gane inducteur et l'organe à enroulements. Dans le présent mémoire, le terme "entrefer" désigne un espace formé entre l'organe inducteur et l'organe à enroulements et contenant une matière non magnétique, de préférence de l'air. Cepen- dant, d'autres matières non magnétiques peuvent aussi être utilisées. Dans un mode de réalisation avantageux, les aimants permanents associés à l'organe inducteur sont du type contenant des éléments des terres rares. Dans un autre mode de réalisation avantageux, l'organe à enroulements comporte des plaques longitudinales latérales d'une matière, telle que l'acierinoxydable, qui accroît la dissipation thermique. Des plaques latérales peuvent aussi comporter des ailettes et/ou être refroidies par un liquide afin que la dissipa- tion de la chaleur soit accrue. Dans un autre mode de réa- lisation de l'invention, l'organe inducteur-est en deux parties et les entrefers sont pratiquement égaux. Dans un autre mode de réalisation avantageux, l'organe à enroule- ments est en deux parties et les entrefers sont pratiquement égaux. Un mode de réalisation avantageux de commutation met en oeuvre des balais et des barres de commutateur. Un autre procédé avantageux de commutation met en oeuvre des dispositifs de commutation à semi-conducteur. Un autre procédé avantageux de commutation met en oeuvre des barres de commutateur, des barres collectrices, des balais de com- mutateur et des balais de barres collectrices. Une structure avantageuse de support comporte des roues montées sur l'organe inducteur et destinées à rouler sur des plaques latérales montées sur l'organe à enroule- ments. Dans un autre mode de réalisation avantageux, l'or- gane à enroulements est fixé au bâti d'une machine et l'or- gane inducteur est supporte par un chariot faisant partie de la même machine. Dans ce mode de réalisation, les entre- fers sont établis d'après la position relative du chariot et du bâti de la machine. Une application avantageuse du moteur de l'in- vention est la mise en position asservie, caractérisée par une grande précision sur la position et un court temps de réponse. Une autre application avantageuse est celle d'un moteur de traction dans lequel la force créée est fonction du courant et est indépendante de la position. Une autre application avantageuse est la mise en position à grande vitesse puisque le moteur selon l'invention n'est pas limité par des contraintes mécaniques telles que le batte- ment d'une vis-mère ou analogue. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective d'un mode de réalisation avantageux de moteur linéaire continu à aimant permanent selon l'invention; la figure 2 est une élévation du moteur de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan du moteur de la figure 1, les enroulements étant représentés sous forme schématique; la figure 4 est une vue de dessous du moteur de la figure 1; la figure 5 est une vue en plan de l'organe à enroulements du moteur de la figure 1, les enroulements étant représentés de façon schématique; la figure 6 est une coupe de l'organe à enroule- ments, suivant la ligne VII-VII de la figure 2; la figure 7 est une élévation schématique en coupe d'un second mode de réalisation avantageux de moteur linéaire continu à aimant permanent selon l'invention; et la figure 8 est une coupe suivant la ligne X-X de la figure 7. La figure 1 représente un moteur linéaire continu à aimant permanent selon un mode de réalisation avantageux de l'invention. Un organe fixe 10 à enroulements est placé suivant une direction longitudinale. Un organe inducteur mobile 12 est destiné à se déplacer le long de l'organe 11, dans cette direction longitudinale. L'organe fixe 10 contient plusieurs enroulements 14 représentés schématiquement sur les figures 3 et 5. Dans le mode de réalisation avantageux de la figure 1, les en- roulements 14 sont formés par rotation de la structure ma- gnétique autour de son axe longitudinal afin que les spires formées passent dans des fentes opposées de l'organe à enroulements (figure 6). Cette technique permet la forma- tion de spires ayant une longueur minimale et en consé- quence des pertes minimales par résistance. Cette propriété contribue ainsi à la puissance nominale élevée du moteur en fonctionnement continu. Les extrémités de chaque enrou- lement 14 sont connectées à des barres adjacentes 16 de commutateur (figure 5) dont l'une se trouve dans la fente de l'enroulement. Il faut noter cependant que d'autres techniques d'enroulement peuvent être utilisées. L'organe 10 contient aussi des barres collectrices 18, 20 (figure 4) qui sont destinées à être reliées à une source d'énergie continue, par exemple à un amplificateur d'asservissement, de type classique et qui n'entre pas dans le cadre de l'in- vention. L'organe 10 peut être suspendu ou supporté par des supports 36 (figure 1). L'organe inducteur mobile 12 se déplace le long de l'organe 10 sur des roues 32 (figures 1 et 2). L'organe inducteur 12 a des balais 22 et 24 de barres collectrices (figure 4), des balais 26A, 26B et 28 de commutateur (fi- gure 3) et des aimants permanents 30 (figures 2, 3 et 4). Les barres collectrices 18 et 20 sont destinées à être reliées à une alimentation continue. Les balais 22 et 24 de barres collectrices glissent sur les barres collectrices 18 et 20. Les balais 26A et 26B de commutateur sont connec- tés au balai 22 alors que le balai 28 de commutateur est relié au balai 24. Les balais 26A, 26B et 28 de commuta- teur coopèrent avec des barres individuelles 16 de commu- tateur si bien qu'ils alimentent les enroulements 14. Les aimants permanents 30 créent un flux magné- tique qui interagit avec le courant circulant dans les en- roulements excités 14 si bien que l'organe inducteur 12 se déplace le long de l'organe 10. Dans le mode de réalisation avantageux de la fiqure 1, les aimants permanents 30 sont du type contenant des éléments des terres rares, donnant des forces d'amplitude étonnamment élevée et contribuant à une faible périodicité. Cette dernière est due aussi à l'espacement des pièces polaires par rapport aux fentes de l'organe à enroulements. Dans le mode de réalisation avantageux de la figure 1, seuls deux enroulements placés sous les pôles de l'organe inducteur 12 sont excités. Les enroulements restants non excités jouent le rôle d'un radiateur et contribuent à l'obtention d'une puissance nominale élevée pour le moteur en fonctionnement continu. En outre, l'or- gane 10 à enroulements a des plaques latérales 34 (figures 2 et 6) formées avantageusement d'une matière telle que l'acier inoxydable qui a une bonne conductibilité thermi- que et qui assure une dissipation supplémentaire de cha- leur, qui a aussi une bonne surface de portée pour les roues 32 de support de l'organe inducteur. Si la dissipa- tion doit être plus importante, les plaques latérales 34 peuvent comporter des ailettes ou peuvent être refroidies par circulation d'un liquide dans des passages formés à l'intérieur. Les plaques latérales 34 peuvent aussi être utilisées comme faces de moulage de l'organe inducteur 10 en résine époxyde. Il faut noter que les courants circulant sous les pôles des aimants permanents 30 ont des sens opposés. Ainsi, une première extrémité de l'organe inducteur 12 a une paire de pôles Nord alors que l'autre extrémité a des pôles Sud correspondants. Ainsi, des courants de sens opposés forment des forces supplémentaires dans une di- rection qui dépend du sens du courant dans les enroule- ments 14. Les valeurs suivantes correspondent à un moteur réalisé suivant le mode de réalisation de la figure 1. Dimensions Stator hauteur 4,83 cm largeur 9,83 cm masse 14,9 g/cm Curseur hauteur 9,40 cm largeur 11,81 cm longueur 17,53 cm masse -5,03 g/cm Caractéristiques obtenues force maximale 245 N force continue 111 N Puissance pour la force 570 W maximale à 25 C Constante de force à 25 C 10,2 N, Vitesse sans charge à V 2,26 I P Constante de temps élec- 4,6 m: trique frottement statique 5,57 J température maximale 155 C d'enroulement élévation de température 0,44 ( par watt force d'ondulation (moyenne 4,5 % par rapport à la valeur de crête) fréquence d'ondulation 115,8 ci accélération maximale 99,4 m, théorique inertie 0,077 /W m/s s N C/W ycles/m /s2 kg Paramètres des enroulements tension à P courant maximal sensibilité de la force constante de force contre- électromotrice résistance à 25 C en courant continu 29,3 19,5 12,6 13 V V A N/A par m/s Vp Ip KI KB 1,5 + 0,2 ohm RM inductance 6,9 mH LM Les figures 7 et 8 représentent un second mode de réalisation avantageux de moteur linéaire continu à aimant permanent selon l'invention. Le moteur de la figure 7 a un organe inducteur 40 ayant des aimants permanents 41 et 42 et un organe 44 portant huit enroulements 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52 et 53 enroulés sur une structure magnétique ayant des fentes. Les enroulements 46 à 53 sont des bobi- nages imbriqués et ils ont un pas égal à celui des aimants permanents 41 et 42. Bien qu'on ait représenté ces enroule- Fp FC P p KF VNL TE FF TPR FR aNL J s ments avec une seule spire sur la figure 7, par raison de simplicité, les hommes du métier peuvent noter que chacun des enroulements 46 à 53 comporte avantageusement plusieurs spires. Alors que, dans le mode de réalisation de la fi- gure 1, l'organe inducteur est en deux parties, c'est l'or- gane à enroulements qui est en deux parties dans le mode de réalisation de la figure 7. Dans ce dernier mode de réalisation, les entrefers de l'organe inducteur 40 et de l'organe 45 à enroulements sont de préférence égaux et les aimants permanents 41 et 42 sont de préférence du type à éléments des terres rares. La figure 8 représente l'organe inducteur 40 supporté par des roues 54 et 55 qui roulent dans des canaux 56 et 58 formés dans des plaques latérales 59 et 60. De cette manière, les entrefers sont maintenus entre l'organe inducteur 40 et l'organe 45 et l'organe inducteur 40 peut se déplacer suivant l'axe longitudinal de l'organe 45 sous l'action des courants circulant dans les enroulements exci- tés. Dans le mode de réalisation de la figure 7, le mo- teur linéaire a une course limitée. Tous les enroulements sont excités en même temps, le sens de déplacement de l'or- gane inducteur étant déterminé par le sens du courant. Ain- si, le moteur de la figure 7 ne met pas en oeuvre de commu- tation et on peut donc le considérer comme une catégorie particulière de moteur continu sans balais. Dans les modes de réalisation de l'invention dé- crits précédemment, on a représenté l'organe à enroulements sous forme fixe et l'organe inducteur sous forme mobile; l'invention peut aussi mettre en oeuvre un organe inducteur fixe et un organe à enroulements mobile. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra appporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Moteur linéaire continu à aimant permanent, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (10) comportant plusieurs enroulements (14) formés sur une structure ma- gnétique ayant des fentes, un dispositif de commutation associé à cet organe et destiné à être relié à une source de courant continu, un organe inducteur (12) mobile par rapport à l'organe (10) à enroulements et comprenant un dispositif (30) à aimant permanent destiné à créer un champ magnétique et un dispositif d'excitation de certains au moins des enroulements (14) avec un courant continu à un moment quelconque, le champ magnétique du dispositif à aimant permanent interagissant avec le champ créé par les enroulements alimentés et provoquant ainsi le déplacement de l'organe inducteur par rapport à l'organe à enroulements, et un dispositif de support (32) destiné à maintenir au moins un entrefer entre l'organe (10) à enroulements et l'organe inducteur (12). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déplacement de l'organe inducteur mobile (12) provoque l'excitation sélective et progressive des enrou- lements (14). 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation comporte des barres (16) de commutateur, connectées aux enroulements (14), et le dispositif d'excitation des enroulements comporte des balais (26A, 26B, 28) de barres de commutateur destinés à glisser sur les barres (16) de commutateur. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif à aimant permanent (30) comprend des aimants contenant des éléments des terres rares. 5. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (10) à enroulements est en deux parties, et les entrefers sont pratiquement égaux. 6. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe inducteur (12) est en deux parties, et les entrefers sont pratiquement égaux. 7. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (32) de support comporte des roues montées sur l'organe inducteur (12) et destinées à se dé- placer sur des plaques latérales (34) montées sur l'organe (10) à enroulements. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de commu- tation comporte des barres collectrices (18, 20) destinées à être reliées à une source de courant continu, et des barres (16) de commutateur reliées aux enroulements (14), et le dispositif d'excitation des enroulements comporte des balais (26A, 26B, 28) destinés à glisser contre les barres de commutateur et des balais (22, 24) destinés à glisser contre les barres collectrices (18, 20). 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe (10) à enroulements comporte au moins deux barres collectrices (18, 20) destinées à être reliées à une alimentation continue, plusieurs enroulements (14) qui peuvent être excités électriquement et qui sont formés sur une structure magnétique ayant des fentes, et plusieurs barres (16) de commutateur reliées aux enroulements (14), deux balais (22, 24) au moins étant destinés à coopérer avec les barres collectrices (18, 20) et trois balais (26A, 26B, 28) au moins étant destinés à alimenter en courant continu certains des enroulements (14) à un moment donné mais non la totalité des enroulements, un second des balais de barres de commutateur étant disposé entre le premier et le troisième des balais de barres de commutateur, suivant l'axe longitudinal de l'organe (10) à enroulements, ce second balai de barres de commutateur étant relié électri- quement à l'un des balais de barres collectrices alors que le premier et le troisième balai de barres de commutateur sont reliés électriquement à l'autre balai de barres col- lectrices. 10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe inducteur (12) est sous forme d'un cur- seur en deux parties. 11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe (10) à enroulements comporte des pla- ques latérales (34) qui dissipent la chaleur dégagée dans les enroulements (14). 12. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une course limitée, et tous les enroulements (14) sont excités simultanément, le sens de parcours sui- vant la course limitée étant déterminé par le sens du cou- rant continu. 13. Moteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'organe (10) à enroulements est fixe et l'organe inducteur (12) se déplace par rapport à lui.