Brevet FR2510839A1 — publié le 19830204

Moteur électrique linéaire. La présente invention concerne un moteur électrique linéaire. L'invention est applicable dans les commandes électriques de mouvement de va-et-vient et de déplacement rectiligne de mécanismes industriels. L'invention peut trouver des applications avantageuses là où l'on a besoin de pouvoir régler la vitesse dans une gamme large pour de déplacements relativement importants de l'organe de travail, par exemple dans la construction de ^ chines-outils, dans les transports, en tant que commande électrique de robots industriels et de manipulateurs. Les moteurs linéaires sont largement connus et utile sés dans divers domaines de l'industrie et dans le transport. Parmi les avantages principaux de ces moteurs, il y a lieu de signaler avant tout une suppression pratiquement totale, dans le système de la commande électriquel de dispositifs mécaniques, hydrauliques t autres intermédiaires servant à transformer le mouvement rotatif en mouvement alternatif. Ceci augmente la fiabilité de la commande électrique et permet d'exploiter à plein rendement les possibilités existantes des circuits de commande automatique dont la réalisation est impossible au niveau actuel de la technique de fabrication des transformateurs en question. Cependant, les spécialistes s'occupant de la mise au point de moteurs électriques linéaires, et plus particulè- rement de ceux-d'entre eux qui utilisent le principe d'u- nion des enroulements d'induit et d'excitation, se heurtent au problème du relèvement du taux d'utilisation de leurs matériaux actifs. On connait des moteurs linéaires (voir certificat d'auteur URSS N 192895) conçus de manière à pouvoir résoudre ce problème dans une certaine mesure. Ledit moteur comprend un stator dont le circuit magnétique est formé de deux bandes parallèles en matériau ferromagnétique. Chaque bande supporte, disposés en alternance régulière, des saillies et des creux rangés le long de ladite bande. Les bandes ferro magnétiques en question sont placées de façon quelles saillies de l'une d'elles soient opposées à celles de l'autre. Lesdites saillies ont pour fonction de donner une forme déterminée au champ magnétique principal du moteur, et elles seront désignées ci-après de cornes formant pôles. Entre les saillies ou cornes qui viennent d'être décrites, se trouve un noyau mobile qui, lorsque le moteur est installé par exemple sur une machine-outil, met en mouvement l'organe de travail de celle-ci. Ce noyau mobile est réalisé de telle sorte qu'il se compose de zones alternées à perméabilité magnétique haute et basse. Chacune des bandes du circuit magnétique de stator est constituée par un paquet denté en acier pour usage électrotechnique , entre ces paquets sont placés les éléments d'un système d'excitation qui sont constitués par des aimants permanents. Ces derniers sont connectés dans le circuit extérieur d'excitation en série, c'est-à-dire que le pôle nord d'un aimant est tourné vers le pôle sud de son voisin. Les forces magnétomotrices, que ces aimants engendrent, sont dirigées en concordance et traversent le noyau mobile dans le sens de la largeur. Sur les deux bandes du circuit magnétique de stator sont mis en place des enroulements d'induit dont chacun desquels est divisé en deux groupes de bobines ayant un même nombre de sections. Ces enroulements peuvent etre en n'importe quel nombre. Le moteur électrique linéaire qui vient d'etre décrit, à côté de ses avantages évidents ayant trait à l'économie considérable de cuivre, se caractérise~par un rendement peu élevé, ce qui s'explique par le fait qu'une partie des côtés actifs des enroulements d'induits se trouvant en face des zones du noyau mobile à faible perméabilité magnétique sont parcourus par le courant mais ne participent pas à la création de l'effort de traction. D'autre part, les moteurs pas à pas du type rotatif ou linéaire se distinguent par une force électromagnétique de réaction bien nette sur l'exploitation de laquelle ils sont en fait basés. Or, cet effort produit des effets négatifs lors des processus technologiques de traitement des métaux par exemple dans la zone de basses vitesses. Cette particularité appartient en général aux moteurs électriques linéaires à courant continu ou alternatif ayant une structure polaire franche le long de la course de la machine et elle se manifeste en cas de fermeture longitudinale des lignes du champ magnétique principal par rapport à l'effort électromagnétique de traction développé par le moteur 12- néaire. L'invention vise à mettre au point un moteur électrique linéaire qui permette, grâce à la suppression de la force électromagnétique de réaction, de rendre plus régulier l'effort de traction et, en conséquence, de rendre plus régulière la course du noyau mobile surtout dans la gamme de petites vitesses. Selon l'invention, le moteur électrique linéaire comporte : un stator dont le circuit magnétique est constitué de deux bandes équidistantes en matériau ferromagnétique munies de saillies et de creux alternant régulièrement, les saillies d'une bande étant opposées à celles de l'autre ; an noyau mobile ayant des zones alternant de haute et basse perméabilité magnétique et situé entre lesdites bandes du circuit magnétique de stator ; un système d'excitation ; et des enroulements d'induit ayant un nombre égal de section et il est caractérisé en ce que le noyau mobile a un entrefer non magnétique qui le divise suivant la hauteur le long du stator en un nombre de parties munies chacune, sur les deux côtés actifs du noyau tournés vers le stator, d'encoches ayant une direction perpendiculaire au sens de déplacement du noyau mobile et servant à recevoir un des groupes de bobines des enroulements d'induit, ces encoches étant coaxiales sur chaque côté actif, en ce que le système d'excitation est constitué par au moins un enroulement d'excitation logé dans les encoches longitudinales d'au moins une des parties du noyau mobile, lesdites encoches longitudinales étant orientées le long du stator et attribuant à la section transversale du noyau mobile une forme de H, et en ce que les saillies des bandes de stator sont pratiquées sur chacune de celles-ci et rangées suivant le nombre des parties du noyau mobile et en quinconce de façon que la saillie d'une bande soit en face du creux de l'autre, chacun des enroulements d'induit étant logé dans les encoches d'un seul côté actif de telle sorte que la distance entre les brins de chacune de ses sections soit égale à la largeur de la saillie sur la bande de stator. I1 est avantageux de diviser le noyau mobile en deux parties égales et de loger dans chacune de celles-ci un enroulement d'excitation. I1 est aussi avantageux que le noyau mobile soit divisé en trois parties de façon que la superficie du côté actif de chacune des parties d'extrémité soit égale à la moitié de la superficie du côté actif de sa partie médiane, et que les superficies des saillies de chacune des bandes de stator aient le même rapport et que le moteur possède en enroulement d'excitation situé dans la partie médiane du noyau mobile. Ainsi donc en court-circuitant les lignes du champ magnétique principal le long de l'effort électromagnétique de traction développé par le moteur, on parvient à supprimer la force électromagnétique de réaction dans le moteur selon l'invention. Ceci se traduit par une diminution considérable d'oscillation de l'effort de traction principal, ce qui accroit la régularité de marche du moteur. La marche régulière du moteur est surtout indispensable quand on le fait fonctionner dans la gamme des petites vitesses (processus de finition dans le traitement de métaux nécessitant un positionnement précis). L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumi ère de la description explicative qui va suivre de-diffé- rents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins également non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente le schéma constructif du moteur électrique linéaire selon l'invention, vue d'en haut - la figure 2 représente une coupe suivant Il-Il figure 1 - la figure 3 représente un des circuits magnétiques de stator du moteur électrique linéaire selon l'invention; - la figure 4 représente le schéma constructif d'un autre exemple de réalisation du moteur selon l'inventi- on;; - la figure 5 est une couse suivant V -V- figure 4; - la figure 6 représente la même vue que la figure 5, mais vue d'en haut. le moteur électrique linéaire faisant l'objet de l'invention comprend un stator dont le circuit magnétique est formé de deux bandes équLdistantes en matériau ferromagnétique. Ces bandes présentent, sur leurs surfaces opposées l'une à l'autre, des cornes for- mant pôles et des creux d'égale largeur alternant d'une manière régulière. Entre les bandes du circuit magnétique de stator est situé un noyau mobile supportant des enroulements d'induit et un enroulement d'excitation. Lesdits enroulements d'induit sont réalisés de telle sorte que les forces électromagnétiques créées par les surfaces actives de l'induit soient égales entre elles, Suivant un mode de réalisation de l'invention, représenté à la fifre 1, des bancs ferromagnétiques 1, 2 présentent des cornes 3 formant pôles et des creux 4 (figure 2) d'une largeur égale au pas polaire # du moteur, Un noyau mobile 5 est divisé, dans le sens de la hauteur le long du stator, par un entrefer non magnétique en deux parties étales 6 et 7.Chacun des cotés actifs du noyau, tournés vers le stator, est muni, dans le sens perpendiculaire à la direction de déplacement du noyau, d'encoches Z recevant des enroulements d'induit 9, Pour faciliter la compré-hension du dessin, les encoches 8 ne sont montrée qu'à la figure 1. les encoches 8, pratiquées sur les deux parties 6 et 7 du noyau, sont coaxiales sur chacun de ses cotés actifs. les enroulements d'induit 9 sont logés dans les enchoches 8, de façon que chacun d'eux soit commun pour un côté actif du noyau. Les sections de l'enroulement sont exécutées au pas diamétral. Pour mettre en place un enroulement d'excitation 10 on a prévu sur le noyau, dans chacune de ses parties 6 et,7, des encoches longitudinales 11 donnant à chacune des parties du noyau la forme de H. Le mode de conception du noyau mobile définit le nombre et la disposition réciproque des cornes 3 formant pôles. Dans cet exemple de réalisation, ces cornes sont situées le long de chaque bande Berromagnétique 1, 2 en deux rangs et en quinconce. Chaque rang des cornes 3 se situe au niveau de la partie correspondante 6 ou 7 du noyau. Une autre particularité importante du moteur selon l'invention réside dans le fait que les saillies d'tune bande sont disposées en face des creux de l'autre. I1 convient de signaler que la hauteur'des saillies est choisit, égale å la longueur t s du conducteur actif de l'enroulement d'induit 9 de chacune des parties 6, 7 du noyau.La distance h dans le sens de la hauteur entre les rangs des cornes 3 ainsi que ltépaisseur de chaque corne sont déterminées à partir des valeurs admissibles des flux de dispersion et sont adoptées, en accord avec la règle connue, égales de 10 à 15 S-, g désignant -la grandeur de l'entrefer non magnétique unilatéral entre les plans des surfaces actives du noyau mobile et des cornes formant polies. les parties 6 et 7 sont situées l'une au-dessus de l'autre sans décalage aussi å une distance h. les sections des enroulements d'induit 9, à la différence du dispositif connu déjà décrit, sont communes pour les deux parties 6, 7 du noyau mobile, ce qui permet de réduire la quantité de cuivre. La figure 3 représente schématiquement la disposition de sections 12 de l'enroulement d'induit 9 dans le champ magnétique de l'enroulement d'excitation 10. Le flux magnétique zip traverse la partie supérieure de la section 12 (en face de la corne), passe suivant la diagonale dans la partie inférieure de la bande 1 et arrive à la partie inférieure 7 du noyau mobile Cen face de la corne). Au fur et à mesure du déplacement du noyau il se produit une modification successive du flux magnétique total de chacune des sections de l'enroulement d'induit 9 à partir de zéro jusqu'au maximum. La figure 3 montre qu'a la différence du dispositif connu, le flux magnétique O0 traverse à deux reprises une même section 12 de l'enroulement d'induit 9 ce qui fait que la f.e.m. de cette section a la meame valeur que la f.e.m. du dispositif connu mais avec un flux magnétique principal O0 deux fois plus petit. C'est ce qui permet de réduire la quantité d'acier pour la cons truction du moteur. Le moteur électrique linéaire conforme au mode de réalisation qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante. Un commutateur électromécanique ou à semi-conducteurs, commandé par un capteur de position, assure le passage du courant à travers les enroulements 9 (figure 1). Les enroulements d'excitation 10 sont connectés ae façon â créer le flux magnétique principal O0 qui est fermé dans le plan perpendiculaire å la direction de mouvement du noyau. L'interaction des courants de l'enroulement d'induit et du flux magnétique principal O0 produit l'effort de traction du moteur sous l'action duquel le noyau commence à se déplacer vers la droite.Lors du déplacement du noyau, le commutateur électromécanique ou semi-conducteursopere des changements de sens des courants dans les enroulements d'ijjduit 9de telle sorte qu'au cours du mouvement dans une direction ce sens soit opposé dans les conducteurs se trouvant dans la zone des cornes ferromagnétiques 3 du rang supérieur par rapport au conducteurs se trouvant dans la zone des cornes 3 du rang inférieur. Le renversement de marche du moteur est effectué par des procédés ordinaires employés pour les moteurs à courant continu. Conformément à un autre exemple de réalisation du moteur représenté à la figure 4, le noyau mobile est divisé par un entrefer non magnétique dans le sens de la hauteur le long du stator en trois parties 13, 14, 15. La partie médiane 14 et les deux parties d'extrémité 13 et 15 sup- portent deux enroulements d'induit 9. Comme on le voit au dessin, l'un des enroulements 9 est commun pour un côté actif du noyau mobile le second enroulement l'étant pour son autre côté actif. La hauteur de la partie médiane 14 du noyau est deux fois plus grande que celle de chacune de ses parties d'extrémité 13 et 15.Les enroulements d'induit 9 sont exécutés de façon analogue à tout autre enroulement de moteurs linéaire à courant continu et sont raccordés à un commutateur semi-conducteur ou trlectromécanique commandé et fonctionnant en capteur de position. La seule différence consiste en ce que les conducteurs actifs de n'importe quelle section de chacun de ces enroulements doivent être distants l'un de l'autre du pas polaire du moteur. Un tel mode de réalisation du noyau mobile détermine l'organisation des circuits magnétiques du stator. De même que dans l'exemple décrit ci-dessus, ces circuits magnétiques sont constitutés des deux bandes ferromagnétiques 1 et 2 avec les cornes formant pôles. Cependant, ces cornes 16, 17 et 18 sont disposées en trois rangs dans le sens de la hauteur en face des parties correspondantes 13, 14 et 15 du noyau mobile. La largeur des CorT nes 16, 17 et 18, aussi bien que celle d'un creux 19, est toujours égale au pas polaire du moteur, tandis que la hauteur correspond à celle de la parties opposée du noyau mobile. De cette maniéré, la supeficie de chaque corne 16 et 18 est égale à la moitié de celle de la corne 17. Les autres dimensions des cornes formant pôles et les grandeurs des entrefers sont choisies de façon analogue. I1 convient de noter que, pour assurer la rigidité du noyau mobile, les faces de toutes ses trois parties sont reliées à l'àide de barrettes non ferromagnétiques (non représentées). -Un enroulement d'excitation 20 entoure la partie médiane 14 du noyau mobile et est logé dans une encoche longitudinale 21 de façon analogue à l'exemple déjà décrit. I1 crée un flux magnétique qui se ferme comme indiqué en pointillé sur cette figure. Le moteur réalisé selon le mode de conception qui vient d'être décrit fonctionne en principe de la même manière que le précédent mais il convient toutefois de préciser ce qui suit. L'enroulement d'excitation 20 engendre un flux magnétique (II désigné par le pointillé. Le commutateur, commandé en sa fonction de capteur de position de noyau mobile par rapport au stator, assure le même sens dans ceux des conducteurs des enroulements d'induit qui sont situés en face des cornes 17 du rang moyen, formant les pôles d'un même sens. Etant donné que la largeur des sections de l'enroulement d'induit est égale au pas polaire du moteur, on aura, en 'ace du pôle de polarité opposée, des conducteurs- avec le courant de sens inverse. Cela veut dire que les efforts de traction, agissant sur les côtés actifs des enroulements d'induit 9, auront un même sens.En comparant les voies de fermeture du flux magnétique dans l'exemple examiné et dans celui qui a décrit précédemment, on constate que pour un même flux, l'épaisseur des bandes ferromagnétiques peut être réduite de deux fois. L'augmentation, proposée par l'exemple examiné, de la dimension du moteur dans le sens de la 'nauteur est insigni- fiante et présente une valeur de 10 à 15 fois celle des entrefers non magnétiques. Le volume de l'enroulement d'exci- tation 20 ne dépasse pas le volume total des enroulements d'excitation dans l'exemple décrit précedemment et peut être quelque peu réduit grâce à la diminution de la longueur de la ligne de force. Selon la présente invention, la quantité d'acier dans le moteur linéaire proposé est à peu près 6 fois plus petite que dans les moteurs connus utilisant le principe de fermeture des lignes de force du champ magnétique principal de manière analogue aux moteurs électriques à courant continu. De même, les efforts de réaction sont réduits à un minimum, ce grace à quoi l'échantillon d'essai a donné des vitesses régulières de déplacement linéaire de l'ordre de quelques millimètres par minute. Bien entendu, l'in-ention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique linéaire comportant : un stator dont le circuit magnétique est constitué de deux bandes équidistantes (1, 2) en matériau ferromagnétique munies de saillies (3) et de creux (4) alternant régulièrement, les saillies d'une bande étant opposées à celles de l'autre , un noyau mobile (5) ayant des zones alternant de haute et basse perméabilité magnétique et situé entre lesdites bandes du circuit magnétique de stator , un système d'excitation ; et des enroulements d'induit (9) ayant un nombre égal de sections, caractérisé en ce que le noyau mobile (5) a un entrefer non magnétique qui le divise suivant la hauteur le long du stator en un nombre de parties munies chacune, sur les deux côtés actifs tournés vers le stator, d'encoches (8) ayant une direction perpendiculaire au sens de déplacement du noyau mobile et servant à recevoir un des groupes de bobines de l'enroulement d'induit, ces encoches (8) étant coaxiales sur chaque côté actif, en ce que le système d'excitation est constitué par au moins un enroulement d'excitation (10) logé dans les encoches longitudinales (11) d'au moins une des parties (6, 7) du noyau mobile (5), lesdites encoches longitudinales (11) étant orientées le long du stator et communiquant à la section transversale du noyau mobile (5) une forme de H, et en ce que les saillies (3) des bandes (12) du stator sont prévues sur chacune de celles-ci et rangées suivant le nombre des parties du noyau mobile (5) et en quinconce de façon que la saillie (3) d'une bande soit en face du creux (4) de l'autre, chacun des enroulements d'induit (9) étant logé dans les encoches (8) d'un seul côté actif de telle sorte que la distance entre les brins de chacune de ses sections soit égale à la largeur de la saillie !3) sur la bande de stator. 2. Moteur électrique linéaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau mobile (5; est divisé en deux parties égales (6, 7) recevant, chacune, un enroulement d'excitation. 3. Moteur électrique linéaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau mobile (5) est divisé en trois parties (13, 14, 15) de façon que la superficie du côté actif de chacune des parties d'extrémité soit égale à la moitié de la superficie du côté actif de sa partie médiane et que les superficies des saillies de chacune des bandes de stator aient le même rapport1 le moteur présentant un enroulement d'excitation situé dans la partie médiane du noyau mobile.