Brevet FR2532128A1 — publié le 19840224

La présente invention concerne des moteurs à courant continu à aimants permanents rendus auto- démarreurs. Il peut arriver, dans les moteurs à cou- rant continu comportant des aimants permanents, habi- tuellement portés par le rotor, qu'après désexcitation du moteur, le rotor s'arrête dans une position telle qu'il ne subit aucun couple lors de la réexcitation du moteur Une telle position sera dite "position morte". Les positions pour lesquelles aucun couple ne s'applique au rotor lors de la réexcitation du moteur sont celles dans lesquelles l'axe du champ magnétique engendré par le rotor a une direction soit identique soit oppo- sée à celle de l'axe du champ magnétique engendré par le stator Autrement dit, aucun couple ne s'applique au rotor lors de la réexcitation du moteur si l'axe du champ magnétique engendré par le rotor présente un déphasage soit nul (de O degré électrique)), soit maximum (de 180 degrés électriques) par rapport à l'axe du champ magnétique engendré par le stator. Dans l'un ou l'autre cas, lé moteur ne démarre pas. De plus, des saillies du composant bobiné du moteur risquent de provoquer l'arrêt du rotor précisément en position morte, cette position étant celle de rèluctance minimale, sauf s'il a été tenu compte dans la conception du moteur du risque d'arrêt en position morte. Une technique utilisée pour rendre auto- démarreur un moteur à courant continu à aimants per- manents consiste à prévoir des aimants permanents sur le stator pour attirer les aimants à aimantation permanente du rotor de façon qu'après la désexcitation du moteur le rotor soit angulairement décalé d'une position morte Toutefois, l'adoption de cette tech- nique rend la marche du moteur irrégulière. Une autre technique à laquelle on a re- cours pour rendre autodémarreur un moteur à courant continu à aimants permanents consiste à faire appa- raitre dans le circuit magnétique des modifications de réluctance afin de positionner le rotor, après désexcitation du moteur, de façon qu'il soit angulai- rement décalé d'une position morte Parmi les moyens proposés pour modifier la réluctance afin de posi- tionner le rotor figurent des moyens manuels, l'uti- lisation d'enroulements auxiliaires, l'utilisation de pièces polaires de stator dont la réluctance varie dans le sens de mouvement du rotor, et l'utilisation d'un rotor et d'un stator tels que la largeur de l'entrefer entre rotor et stator soit non uniforme. Toutefois, le recours à-ces modifications de réluctance soulève des problèmes L'utilisation de moyens manuels mène à un moteur complexe et encombrant qui exige un opérateur La présence d'enroulements auxiliaires rend le moteur complexe L'adoption de pièces polaires à réluctance variable et celle d'un rotor et d'un stator séparés par un entrefer de lar- geur non uniforme peuvent imposer le recours à des procédés de fabrication plus onéreux ou ne provoquer qu'un décalage très faible par rapport à la position morte. La présente invention propose un moteur a courant continu à aimants permanents autodémarreur comportant des aimants permanents à force magnétique non uniforme, ainsi qu'un procédé poursa fabrication. Des aimants permanents de rotor à aimantation non uniforme dans le sens de rotation font prendre au rotor, après désexcitation du moteur, une position angulairement décalée par rapport à une position morte. L'adoption d'aimants permanents à aiman- tation non uniforme portés par le rotor permet de fabriquer aisément le montage de rotor, c'est-à-dire la cage de rotor et les aimants de rotor montés dans celle-ci Ni le montage du rotor ni l'ensemble du moteur ne présentent de complexité mécanique Le dispositif servant à assurer l'aimantation non uni- forme des aimants est facile à se procurer, facile à adapter à cet usage et facile à faire fonctionner; il n'est pas nécessaire de recourir à des procédés de fabrication difficiles et/ou onéreux L'invention résout les problèmes de complexité du matériel et de difficulté de fabrication qui existent selon la tech- nique antérieure. Dans un moteur suivant l'invention, les aimants permanents de rotor ont une force magnétique (intensité de flux) qui varie suivant leur direction circonférentielle Autrement dit, les aimants perma- nents arqués du moteur (à courant continu, sans balais) ont une aimantation diminuant progressivement dans'le sens de rotation pour être amenés à s'aligner avec les saillies du stator en des positions angu- laires autres que les positions mortes. Dans un procédé de fabrication de moteur à courant continu à aimants permanents suivant un aspect de l'invention, on pose dans un rotor des aimants permanents à aimantation uniforme, on monte le rotor sur un appareil fixe dans l'entrefer d'un tore, on applique un champ magnétique dé désaimanta- tion pendant le temps et de la manière voulus pour conférer une force magnétique (intensité de flux) non uniforme aux aimants de rotor, et l'on monte le rotor en association active avec un stator. L'utilisation d'aimants à force magné- tique non uniforme selon l'invention peut-être éven- tuellement adjointe à des-techniques antérieures: par exemple, on peut conformer les pôles saillants du composant bobiné (usuellement le stator) de façon à établir un entrefer variable tendant à maintenir les composants de moteur ailleurs qu'en position morte. On comprendra mieux les avantages préci- tés, ainsi que d'autres, de la présente invention d'après la description détaillée donnée ci-dessous des modes de réalisation préférés en se référant aux dessins annexes, sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un moteur à courant continu à aimants permanents, sans frotteurs, comportant des aimants de rotor à aimantation traditionnelle au repos en une position morte; la figure 2 représente schématiquement un moteur analogue à celui selon la figure 1, compor- tant des aimants de rotor suivant la présente inven- tion, en position de repos non morte immédiatement après l'excitation de l'enroulement de stator; la figure 3 représente schématiquement un autre moteur à courant continu à aimants permanents, sans frotteurs, comportant des aimants de rotor à aimantation traditionnelle au repos en une position morte; la figure 4 représente schématiquement un moteur analogue à celui selon la figure 3 compor- tant des aimants de rotor suivant la présente inven- tion au repos en position non morte sitôt après l'ex- citation de l'enroulement de stator; la figure 5 représente schématiquement un tore interrompu par un entrefer, avec bobinage d'un enroulement sur le tore et présence d'un appareil fixe servant à positionner un rotor aux fins de trai- tement de l'entrefer; la figure 6 est une vue de détail sché- matique montrant un rotor monté sur un appareil fixe dans l'entrefer du tore de la figure 5 avant traitement; la figure 7 est une vue de détail schéma- tique montrant un rotor monté sur un appareil fixe dans l'entrefer du tore de la figure 5 après traitement. Bien que l'invention soit susceptible de matérialisation sous de nombreuses formes différentes, on a illustré sur les dessins et l'on décrira ci-après en détail certains modes de réalisation particuliers, ceci à simple titre d'exemples dépourvus de tout ca- ractère limitatif. La présente invention a trait à des mo- teurs-à courant continu à aimants permanents Typique- ment, dans ces moteurs, le courant traversant l'enrou- lement de stator subit des commutations basées sur la position du rotor en vue d'engendrer un effet moteur. On fait usage de divers dispositifs pour déceler la position du rotor et commuter le courant d'enroulement de stator, par exemple frotteurs et bagues de collec- teur, dispositifs optiques et dispositifs à effet Hall Le dispositif et le mode de détection de la position du rotor et de commutation du courant d'en- roulement de stator ne font pas partie de la présente invention. Sur la figure 1, on voit un moteur 10 à courant continu à aimants permanents, exempt de frot- teurs, constitué par un stiator 14 à-pôles saillants et par un rotor 11 Le rotor comporte une cage de rotor 17 et des aimants de rotor 12 et 13 Le rotor tourne autour de l'extérieur du stator dans le sens de la flèche W 1 * Sous la commande d'un dispositif à effet Hall 16, du courant i 1 traverse un enroulement pour engendrer un champ magnétique dans le stator. L'orientation du champ magnétique établi dans le stator est indiquée par les mentions "N" et "t S" portées sur le stator sur la figure 1 Par commutation, 2532 128 on inverse ce courant i 1 à intervalles de 1800 pnir inverser les pôles du stator et faire tourner le rcter en continu L'aimantation des aimants de rotor est indiquée par les traits 12. Sur la figure 1, les aimants de rotor 12 et 13 ont subi une aimantation traditionnelle, c'est- à-dire uniforme Lors de la désexcitation du moteur 10, ils tendent à s'arrêter en face dans les saillies du stator, en positions de réluctance minimale, tendant à conférer au rotor 11 la position morte représentée sur la figure 1 Si le rotor est en position morte quand du courant i 1 commence à traverser l'enroule- ment 15, aucun couple ne s'applique au rotor et, par conséquent, le rotor ne tourne pas. Selon une technique antérieure, on évite l'arrêt en position morte en ménageant, comme indiqué sur la figure 1, des encoches 21 dans les poles de stator Ces encoches modifient la réluctance au tra- vers de l'entrefer en faisant varier la largeur de l'entrefer Le rotor tend à s'arrêter légèrement en avant de sa position morte. La figure 2 illustre un mode de réalisa- tion de l'invention suivant lequelon a recours à des aimants permanents à aimantation non uniforme pour rendre un tel moteur autodémarreur Sur la figure 2, les éléments inchangés conservent les mêmes références numériques Le sens de rotation est indiqué par la flèche W 2 Du courant i 2 traverse l'enroulement 15 pour engendrer un champ magnétique dans le stator 14. L'orientation du champ magnétique existant dans le stator est indiquée par les mentions "N" et "S" por- tées sur le stator sur la figure 2 et est inverse de celle de la figure i du fait que l'aimant 13 est venu à proximité du dispositif à effet Hall 16. L'aimantation des aimants de rotor 12 et 13 est indiquée par les traits 18 L'aimantation de chaque aimant de rotor varie-graduellement, circonférentiellement, - entre un niveau d'aimantation maximale au voisinage de son extrémité arrière 19 et un niveau d'aimantation minimale, au voisinage de son extrémité menante 20. Les aimants de rotor à aimantation non uniforme tendent à faire prendre au rotor une posi- tion d'arrêt non morte, telle que représentée sur la figure 2 Quand du courant i commence à traverser l'enroulement, un couple 'applique au rotor et le rotor commence à tourner. La commutation des enroulements de stator est telle que le courant i 2 s'amorce en sorte que l'axe du champ magnétique engendré par le rotor est déphasé de près de 180 degrés électriques par rapport à l'axe du champ magnétique engendré par le stator. Le courant i 2 pourrait s'amorcer en sorte que le déphasage des axes soit voisin de O degré électrique et pourrait être commuté lorsque les axes sont en phase, c'est-à-dire lorsque la position morte suivante se trouve atteinte Toutefois, du fait que le courant i 2 s'amorce quand les axes sont déphasés de près de degrés électriques, le rotor est animé d'une plus grande vitesse angulaire et d'une plus forte énergie cinétique lorsqu'il atteint la position morte suivante, et la vitesse angulaire acquise par le rotor fait franchir à celui-ci la position morte suivante. On peut associer les aimants de rotor selon la figure 2 à des pôles de stator conformés de façon à faire varier la réluctance au travers de l'entrefeir entre stator et rotor, par exemple grâce aux encoches 21 représentées sur la figure 1. Dans ce cas, on accuse encore la tendance du rotor à s'arrêter ailleurs qu'en position morte. Des aimants permanents à aimantation non uniforme peuvent servir à réaliser d'autres moteurs à courant continu à aimants permanents autodémarreurs. Par exemple, les figures 3 et 4 représentent un moteur à courant continu sans frotteurs dans lequel les ai- mants de rotor sont montés de manière classique à l'intérieur d'un stator. Sur la figure 3, le moteur 30 comporte un stator 31 à pôles saillants 32 et 37 et un rotor 35. Le rotor 35 comporte une cage de rotor 39 et des ai- mants de rotor 34 et 36 Le rotor tourne dans le sta- tor dans le sens de la flèche W 3 quand du courant i 3 traverse un enroulement 33 sous la commande d'un dis- positif de Hall 38 et du montage associé L'orienta- tion du champ de stator est indiquée par les mentions "N" et "S" L'aimantation uniforme, classique, des aimants de rotor est indiquée par les traits 34 Lors de la désexcitation du moteur, le rotor tend à prendre la position morte représentée Si le rotor est en position morte lors de la réexcitation, il ne subit aucun couple et, par conséquent, ne tourne pas. Là encore, des aimants permanents à ai- mantation non uniforme rendent-ce type de moteur auto- démarreur Sur la figure 4, les éléments inchangés conservent les mêmes références numériques Le sens de rotation est W 4 Du courant i 4 traverse l'enrou- lement 33 pour engendrer le champ magnétique à orien- taton indiquée par les mentions "N" et "S" portées sur le stator sur la figure 4, le courant ayant été inversé sur la figure 4 du fait que l'aimant 34 s'est rapproché du détecteur de Hall L'aimantation des aimants de rotors 34 et 36, indiquée par les traits , varie d'un niveau d'aimantation maximal -voisin de l'extrémité arrière 41 jusqu'à un niveau d'aiman- tation minimal voisin de l'extrémité menante 42. Ainsi aimantés, les aimants 34 et 36 font prendre au rotor 35 la position non morte représentée Quand du courant i 4 passe, le champ de stator est déphasé de près de 180 degrés électriques par rapport au champ de rotor et, sous l'effet du couple qu'il subit, le rotor commence à tourner. Les figures 5, 6 et 7 montrent comment on peut réaliser un moteur à courant continu comportant des aimants à aimantation non uniforme Un tore 50 est interrompu par un entrefer 52 Un enroulement 51 est bobine sur le tore, et un support fixe 53 est situé dans l'entrefer Une clavette 54 est placée sur. le support fixe. Sur la figure 6, un rotor 11, semblable par sa structure à ceux des figures 1 et 2, est placé sur l'appareil fixe dans l'entrefer dutore Les ai- mants de rotor 12 et 13 ont subi une aimantation classique L'aimantation de chaque aimant de rotor est uniforme d'un bout à l'autre, comme indiqué par les traits 55. La clavette du support fixe confère au rotor une position angulaire correcte, préfixée, de façon que le champ magnétique présent dans l'entrefer, engendré lors de l'excitation de l'enroulement porté par le tore, exerce sur les aimants de rotor un effet magnétique variant-sur ceux-ci d'un emplacement à l'autre Le support fixe positionne le rotor dans l'entrefer de façon qu'une extrémité de chaque aimant de rotor soit plus voisine de la frontière de l'entre- fer du tore que l'autre extrémité de l'aimant de rotor. La clavette et le support fixe peuvent être l'un quel- conque d'un certain nombre d'agencements mécaniques", adapté au rotor particulier à positionner angulairement. Une fois le rotor- 11 correctement posi- tionné, on excite l'enroulement 51 pour engendrer un champ magnétique dans l'entrefer 52 On fait exci- ter l'enroulement par un courant assez intense pour que le champ magnétique provoque l'aimantation non uniforme souhaitée des aimants de rotor Si la cage de rotor 17 est en matériau ferromagnétique, le champ magnétique doit être assez intense pour saturer ce matériau et assurer l'aimantation non uniforme souhai- tée des aimants de rotor Le champ assure par inter- action avec les aimants du rotor une désaimantation plus accusée dans les parties des aimants de rotor les plus voisines du tore que dans les autres parties. Sur la figure 7, l'aimantation résultante des aimants de rotor 12 et 13 est indiquée en 56 par des traits comme celle des aimants de rotor de la figure 2 Après traitement, on retire le rotor de l'appareil fixe et on le monte en association active avec le stator 14 de façon que l'aimantation variable des aimants de rotor fasse que le rotor s'arrête ailleurs qu'en position morte, comme dans le cas de la figure 2. Aux modes de réalisations décrits en dé- tail, on pourra apporter diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, on pour- rait aimanter initialement les aimants de rotor de fçaon qu'ils aient une aimantation (intensité de flux) non uniforme, au lieu de les aimanter d'abord unifor- mément et de les désaimanter ensuite partiellement. L'invention n'est pas limitée à des rotors à deux pôles seulement et, comme souligné plus haut, n'est pas non plus limitée à aucun agencement de commuta- tion particulier La description donnée ci-dessus des réalisations préférées est donc dépourvue de tout caractère limitatif. REVENDICATIONS 1 Moteur à courant continu autodémarreur, comprenant: un premier et un second organe ( 11,14; 31,35) pouvant tourner l'un par rapport à l'autre, au moins un enroulement ( 15,33) et un pole saillant sur le premier organe; au moins un segment magnétique ( 12,13; 34,36) aimanté radialement et définissant une surface cylin- drique dans son ensemble, dont un pole magnétique fait face au premier organe à travers un entrefer, et qui s'étend sur moins de 360 , caractérisé en ce que: ledit moteur a au moins une position morte pour une première relation angulaire entre les pre- mier et second organes, dans laquelle les forces de rotation relative despremier et second organes sont en équilibre lorsque l'enroulement est excite; ledit segment magnétique ( 12,13; 34,36) a une force magnétique qui varie circonférentiellement en définissant un emplacement de force magnétique augmenté plus proche d'une extrémité dudit segment magnétique que de l'autre dans une direction circon- férentielle, et ledit pôle saillant et ledit segment magné- tique sont placés de façon à faire sortir lesdits premier et second organes de ladite position morte, pour les amener dans une position relative de repos qui est écartée angulairement de cette position morte. 2 Moteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier organe ( 14,31), pourvu de l'enroulement ( 15,33) et du pôle saillant, cons- titue un stator et en ce que le second organe ( 11,35), pourvu de l'aimant permanent à aimantation non uni- forme ( 12,13; 34,36) constitue le rotor ( 11). 3 Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le segment magnétique fait par- tie de plusieurs aimants ( 12,13; 34,36) qui sont de forme arquée. 4 Moteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les aimants ( 12,13) sont diamé- tralement opposés et montés concentriquement à l'inté- rieur d'un rotor cylindrique formant le premier organe et monté de manière a tourner autour du pôle saillant du stator qui forme le second organe. Moteur selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les aimants ( 12,13; 34,36) compren- nent des segments d'aimant permanent disposés sur le rotor de façon à coopérer avec au moins un champ de stator engendré par excitation de l'enroulement ( 15; 33) afin d'attirer les aimants et de faire tourner le rotor, l'aimantation de chacun desdits segments variant circonférentiellement entre un emplacement de force magnétique plus forte, situé circonférentielle- ment à proximité d'une extrémité du segment, et au moins un emplacement de force magnétique plus faible, ladite aimantation variable de chacun des segments contribuant à faire prendre au rotor une position de repos angulairement décalée par rapport à une position morte du rotor. 6 Moteur selon l'une quelconque des re- vendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'aimant permanent ( 12,13; 34, 36) est un aimant de rotor qui, en réponse à l'excitation de l'enroulement de stator, provoque la rotation du rotor et dont la force magné- tique varie progressivement depuis ledit emplacement à force magnétique maximale et un emplacement à niveau d'aimantation minimale voisin de son autre extrémité. 7 Moteur selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que l'aimantation non uniforme des aimants de rotor ( 12,13; 34,36) provoque l'arrêt du rotor ( 11,35) dans ladite position angulairement dé- calée dans le sens de rotation du rotor par rapport à la position morte. 8 Procédé de fabrication d'un moteur a courant continu autodémarreur, selon lequel on prévoit un stator comportant au moins un pôle saillant et au moins un enroulement d'aimantation du stator; et au moins un aimant permanent à utiliser sur un rotor en association active avec le stator, caractérisé en ce qu'on applique à l'aimant une aimantation variant suivant sa longueur dans le sens de rotation du rotor; de sorte que quand le rotor est monté de façon à tour- ner par rapport au stator'et que l'enroulement de stator se trouve désexcité, le rotor s'arrête ailleurs qu'en position morte. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans l'opération d'application d'une aimantation non uniforme, on prévoit un aimant permanent de rotor et on établit-un champ magnétique de direction et d'intensité voulues pour réduire l'aimantation d'une partie au moins de l'aimant de rotor. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, dans l'opération d'établisse- ment d'un champ magnétique, l'intensité de flux du champ magnétique varie en fonction de l'emplacement dans le champ magnétique. 11 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, dans l'opération d'application - d'une aimantation non uniforme, on place l'aimant de rotor dans un entrefer de circuit magnétique et on - établit un champ magnétique exerçant sur l'aimant de rotor un effet magnétique qui varie suivant l'empla- cement sur l'aimant de rotor. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans l'opération d'application d'une aimantation non uniforme, on place l'aimant de rotor de façon que l'une de ses extrémités soit plus voisine de la frontière de l'entrefer que son autre extrémité. 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans l'opération d'application d'une aimantation non uniforme, on établit un champ magnétique dont l'intensité de flux magnétique varie suivant la longueur de l'aimant de rotor. 14 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit magnétique comporte un tore ( 50) interrompu par l'entrefer ( 52) et un enroulement ( 51) bobiné sur le tore pour exciter le circuit magnétique et engendrer le champ magnétique et en ce que, dans l'opération d'application d'une aimantation non uniforme, on pose les aimants de rotor dans le rotor et on place le rotor en position angulaire préfixée dans l'entrefer, Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que, pour la mise en place du rotor dans l'entrefer, on prévoit sur le rotor et dans l'entrefer desmoyens de clavetage ( 54) coopérant pour établir la position angulaire préfixée et positionner le rotor dans l'entrefer avec coopéra- tion des moyens de clavetage pour le positionnement du rotor. 16 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les aimants de rotor sont des segments arqués disposés autour du rotor et en ce que pour l'application d'une aimantation non uniforme, on place le rotor dans l'entrefer en disposant ses segments angulaires de façon qu'une extrémité de ceux-ci fasse face à davantage de matériau perméable définissant l'entrefer que l'autre extrémité. 17 Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'on monte le rotor en association active avec le stator de façon que l'aimantation non uniforme des aimants de rotor confère au rotor une position de repos décalée angulairement dans le sens de rotation du rotor par rapport à une position morte.