Brevet FR2533085A1 — publié le 19840316

La présente invention concerne des moteurs à courant continu sans balais commutés électroniquement, et elle a trait particulièrement à des moteurs de ventilateurs à courant continu sans balais qui sont d'une contruction simple, bon marché à fabriquer, et fiables Un problème courant dans la fabrication des ventilateurs est de disposer d'un moteur qui soit très simple et par consequent d'un faible cout de fabrication.Parmi les moteurs à courant alternatif pour ventilateurs, le mo- teur à courant alternatif à armature latérale parvient le plus à atteindre ce but Cependant, les moteurs à courant continu pour ventilateurs sont devenus récemment de plus en plus attrayants, particulièrement pour les venti- lateurs utilisés pour refroidir des circuits électroniques dans lesquels une alimntation an courant continu est dis- ponible Les moteurs à courant continu sans balais utili- sant des dispositifs à effet Hall pour detecter les points de commutation quand le rotor tourne sont bien connus dans la technique On excite de façon répétitive une ou plusieurs bobines de stator ou on inverse l'excitation de celles-ci pour effectuer une translation du champ électromagnétique produit par les pôles- du noyau de stator Un rotor à ai- mant permanent est continuellement attiré jusqu'aux nouveaux emplacements de pâles électromagnétiques. Pour une commutation, un ou plusieurs dispositifs à effet Hall dé- tectent l'emplacement des poles de l'aimant permanent de rotor pour commander l'excitation de l'enroulement ou des enroulements de stator, ou un dispositif à effet Hall dé- tecte la position d'un ou de plusieurs aimants de commutation montés pour tourner avec le rotor et prévus spéciale- ment pour indiquer, , en changeant l'état du dispositif à effet Hall, les points de commutation quand le rotor tourne De nombreux moteurs à courant continu sans balais connus sont compliques à la fois dans leurs structure et leurs circuits de commutation.On demande, pour des ventilateurs, des moteurs simples, peu coûteux et fiables, et les moteurs à courant continu sans balais qui pourraient être utilisés de façon plus appropriée pour, par exemple, des circuits de commande précise de disques ou de bandes, sont frop coûteux pour la simple fonction de rotation d'un ventilateur. Selon l'invention, un moteur sans balai à courant continu de construction simple comporte un rotor avec un aimant permanent annulaire et une structure de bobine et d'électro-aimant de stator à l'extérieur de l'aimant annulaire. L'aimant annulaire du rotor est aimanté en segments le long de sa périphérie, chaque segment étant inversement aimanté dans la direction radiale par rapport à celui qui le précède. La structure d'e'lectro-aimant comprend des pièces polaires aimantes par la bobine et se trouvant à proximité de la surface cylindrique extérieure de l'aimant annu- laire.Un dispositif à effet Hall détecte le passage des segments d'aimant de rotor pour faire tourner la bobine sur et hors de ceux-ci Les emplacements- des pièces polaires d'electro-aimant et du dispositif à effet Hall sont tels que, chaque fois que la bobine est excitee, les polarités magnetiques correctes sont établies sur les pièces polaires pour attirer les segments ou pâles s'approchant suivants de l'aimant annulaire. Un autre aimant permanent monté sur la structure de stator près de la périphérie de l'aimant de rotor annulaire arrête magnetiquement l'aimant annulaire de manière à ce que le rotor soit-correctement positionné pour un dé- marrage. Dans le ventilateur de l'invention, des ailettes de ventilateur sont placées à l'intérieur de et fixées à l'aimant annulaire. L'aimant et les ailettes de ventilateur sont montes pour une rotation sur un moyen central. Le stator comprend une structure de carter et de support s'é- tendant du voisinage de l'aimant jusqu au moyen et supportant le moyen de rotor pour sa rotation. Le carter entoure l'aimant annulaire et les ailettes de ventilateur. La structure de support comprend des moyens de montage formésdans le carter autour de la périphérie du moteur. Un petit compartiment dans le carter sert à loger la bobine de stator, la structure d'e'lectro-aimant et tous les éléments de circuit du circuit de commutation relativement simple , y compris le dispositif à effet Hall effectuant la commutation. Alors que le moteur de l'invention ne pourrait pas être avantageux pour certaines autres applicationsavec son grand rotor annulaire et sa structure de stator extérieure, il est particulièrement approprié pour des ventilateurs. Les extrémités des ailettes de ventilateur dé- finissent ordinairement une voie circulaire et la zone à l'intérieur du cercle est nécessairement utilisée. En commandant directement, les ailettes -de ventilateur à partir d'un aimant fixé aux extrémités d'ailettes, il faut peu d' espace supplémentaire et cela permet d'avoir un venti- lateur détroit puisqu'il n'est pas nécessaire de coupler un moteur au moyen ou à l'arbre supportant les ailettes au cen- tre.La commande est efficace et elle est réalisée de fa- çon économique du fait que la force rotative appliquée à ltai- mant-est directement imprimée aux ailettes. Il faut moins de force pour déplacer les ailettes contre une charge que iorsqutune force est appliquée la où les ailettes sont sup- portées centralement. En outre, en utilisant le rotor de la présente invention, on peut réserver une grande partie de la zone circulaire étendant des extrémités d'ailettes vers l'intérieur au flux d'air, du fait qu'aucun espace à l'intérieur n'est pris par le moteur. Les avantages de la combinaison ventilateur et rotor surpassent alors la somme apparente des avantages de chacun D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:: Figure 1 est une vue en plan.d'en haut de la combinaison ventilateur et moteur selon l'invention représen- tant l'aimant permanent annulaire du rotor qui est aimanté en segments autour de sa périphérie et une structure de bobine et électro-aimant de stator extérieure; Figure 2 est une vue latérale en élévation de l'ensemble ventilateur et moteur de la Figure 1, partiel- lement en coupe, le long d'une ligne 2-2 de la Figure 1, qui représente l'assemblage du rotor et des ailettes de ventilateur sur un manchon pour une rotation autour d'une section de support centrale du stator; et Figure 3 est une représentation schématique d'un circuit d'excitation pour la bobine de stator. Sur la Figure 1, une combinaison de ventilateur et moteur 10 selon l'invention comprend un rotor 11 et un stator 12. Le rotor 11 comporte un aimant permanent annulaire 14, aimanté en segments autour de sa périphérie. Comme on l'a représenté, chaque segment -est aimanté de façon inverse, dans.la direction radiale, par rapport au segment qu'il suit, autour de la périphérie. L'aimant 14 est fixé sur un anneau 16. Des ailettes de ventilateur 17 s'étendent de l'anneau 16 jusqu'à un moyen central 19. Sur la Figure 2, le moyen 19 porte un arbre 21 monté dans le boîtier de roulement 22 placée dans un alésage 23 formé dans une partie centrale en saillie 25 du stator 12. Des bagues en C 28 et 29 retiennent le boftier et maintiennent le rotor et le stator ensemble. Des entretoises ou cales 31 comblent tout autre jeu d'extrémité dans l'assemblage. L'assemblage particulier utilisé pour placer la structure de rotor et les ailettes de ventilateur de manière à leur permettre de tourner à l'intérieur de la structure de stator n'est qu'un exemple et n'est pas considéré comme étant essentiel pour l'invention. Par exemple, on peut remplacer le bolier de roulement par un roulement à rouleaux ou autre structure de roulement et on peut facilement imaginer d'autres dispositions que celle de l'arbre 21 et de l'alésage 23. Trois entretoises 33 s'étendent radialement vers l'extérieur à partir de la partie centrale en saillie 25 de stator. Celles-ci sont reliées à un carter circulaire dans son ensemble 34. Des bossages 35 d'assemblage définis- sent des trous 36 autour de la périphérie du carter, per mettant le montage de l'ensemble, moteur et ventilateur au moyen, par exemple, de boulons passés dans les trous 36. Comme le montre le bas de la Figure 1, le carter 34 forme un compartiment 40 à un endroit qui sert à loger une bobine de stator 41, une structure d'àlectro aimant 42, un dispositif à effet Hall X1, et les autre éléments de circuit du circuit de commutation, non représentés sur la Figure 1 La bobine o bobinage 41 est enroulé sur une bo- bine 43. On noyau 44 d'un kmatériau magnétique traverse la hobine 43 d'une extrémité à 1 t autre et fait partie de la structure d'électro-aimant 42. -La bobine 43 peut également: faire partie de la structure d'électro-aimant.Cette struc- turne comprend également deux bras 46 et 47 fies au noyau magnétique 44 dans un rapport de conduction de flux et se terminant dans des pièces polaires 48 et 49 se trouvant près de la surface extérieure de 1 l'aiment permanent 14. Comme le montre la Figure 1, l'écfartement des pièces polaires 48 et 49 est tel que, avec l'aimant placé comme on l'a représenté,une excitation de la bobine 41 destinée à rendre la pièce polaire 48 N ord et la pièce polaire 49 Sud entraîne la rotation dans le sens des aiguilles d9une montre de la structure de rotor et des ailettes de ventilateur. Un autre aimant permanent 50 arrete magnétiquement l'aimant annulaire de rotor dans une position telle que le démarrage du moteur et du ventilateur est assuré. Au démar- rage,- la bobine 41 est excitée pour appliquer, par l'inter- médiaire des pièces polaires 48 et 49, un couple de demarrage à l'aimant annulaire Le dispositif à effet Hall Xi commande 1 excitation de la bobine 41 de manière à ce que cette bobine soit excitée pour attirer les poles s'appro- chant de l'aimant annulaire de rotor et qu'elle soit ensuite désexcitée quand le champ magnétique de 1 ?aimaslt annulaire est inversé sur le dispositif à effet Hall à la suite d'un mouvement d'un nouveau segment inversement polarisé magnétiquement au voisinage du dispositif. La désexcitation de la bobine permet le passage des poles suivants devant les pièces polaires 48 et 49 jusqu'à ce que le dispositif à effet Hall X1 détecte l'inversion du champ magnétique, en signalant l'approche des segments suivants.La bobine 41 est réexcitée et les pièces polaires attirent les deux segments suivants. Cette séquence se répète jusqu'à ce que le rotor parvienne à une vitesse d'équilibre ou la charge aérodynamique compense la puissance de moteur Ce fonctionnement permet l'utilisation d'un circuit de commutation simplifié. Sur la Figure 3, le dispositif à effet Hall Xl, qui peut être par exemple un commutateur à effet Hall, est représenté comme commandant un tran- sistor Q1 dont le circuit collecteur-émetteur est en série avec la bobine de stator 41.Un tel commutateur à effet Hall est le modèle "sprague UGN-3013T" fabriqué par Sprague Electric Company de Worcester, Mass. L'exposition du dispo- sitif à effet Hall Xl à un champ magnétique de sens ou po larité correcte ouvre (rompt) le chemin de conduction d'une ligne 51 à la masse. Avec ce chemin ainsi ouvert, une résistance R1 fournit un signal de commande de base au tran- sistor Ql, en polarisant le transistor Q1 pour le rendre conducteur et en excitant la bobine 41.Quand le dispositif à effet Hall X1 subit un champ magnétique de sens ou polarité inverse, ou pas de champ du tout, le trajet de courant de la masse à la résistance R1 et à la base du transistor Q1 se ferme. Ce chemin de conduction, maintenant fermé, prive le transistor Q1 du signal de commande de base et le transistor Q1 ne conduit plus, la bobine 41 est désexcitée jusqu'à ce que le dispositif X1 subisse à nouveau un champ de sens approprié. Un condensateur C1 amortit les impulsions transitoires qui resultent de la commutation brusque de la bobine 41. Une diode cRi empeche que des courants inversés retraversent les charges d'entrée jusqu'au circuit éleva tronique. refroidi, par exemple. Typiquement, l'alimentation d'entrée de cette disposition de circuit simple est prise d'une tension de polarisation en courant continu disponible tout près du circuit électronique qui est refroidi. Dans un exemple de réalisation préféré, les élé ments de circuit sont montés sur une plaquetteode circuit imprimé ayant essentiellement la même forme que la cavité qui forme le compartiment 40 sur la Figure 1. La plaquette de circuit imprimé est montée sur la cavité avec les éléments de circuit faisant saillie vers le bas et logés à l'intérieur de la cavité de manière à ce que le ventilateur et le moteur aient une forme compacte telle que représentéesur la Figure 1 et un profil étroit tel que représenté sur la Figure 2. D'après la description qui précède, on voit qu'on a prévu une combinaison simple- et tout à fait originale d'un moteur et d'un ventilateur. Il sera évident pour l'hom- me de l'art que beaucoup de modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation décrit ci dessus sans sertir du cadre de l'invention-telle que définie dans les reven- dications annexées. REVENDICATIONS 1. Moteur en courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend: un rotor (11) comportant un aimant permanent annulaire (14), l'aimant définissant des segments magnétiques parmi lesquels- les segments de même polarisation dans la direction radiale extérieure sont écartés circonférentiellement autour de l'aimants un stator (12) comportant une structure d'électroaimant (42) à l'extérieur de l'aimant annulaire, la structure incluant une bobine (41) placée pour établir un champ magnétique attirant des segments de l'aimant annulaire vers la bobine; un moyen de détection de posîtion(Xl, Q1our commuter le courant électrique envoyé à la bobine pour produire de façon répétitive ledit champ et attirer lesdits segments. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyend'arret comprenant un aimant permanent (50) monté près de l'aimant.annulaire (14) et plaçant au repos l'aimant annulaire.avec l'un desdits segmentssitué pour être attiré par le champ quand la bobine est réexcitée. 3. Moteur selon la revendication lou 2, caractérisé en ce que la structure d'électro-aimant (42) définit au moins une pièce polaire (48,49) au voisinage de l'extérieur de l'aimant annulaire. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure d'électro-aimant (42) comprend un chemin de flux comportant deux bras (46,47) associés aux extré-mités de la bobine (41) et s'étendant jusqu'aux pièces polaires (48,49) écartées le long de la périphérie de l'aimant annulaire. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pièces polaires (48,49) sont écartées d'une distance telle que chacuneattire un segment aimanté séparé de'l'aimant annulaire quand la bobine (41) est excitée. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que des segments voisins de aimant annulaire (14) sont inversement polarisés et en ce ce que les pièces polaires (48, 49) sont placées pour attirer les segments inversement polarisés voisins quand la bobine (41) est excitée. 7. Moteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de positon(X1Q1) pour la commutation du courant électrique comprend un moyen (Q1) pour n'exciter la bobine (41) que lorsque le champ établi par la bobiné attire au moins un segment de manière à faci- liter la rotation du rotor (îî) et pour désexciter ensuite la bobine jusqusâ ce que l'excitation attire à nouveau au moins un segment de manière à faciliter la rotation du ro- tor. 8. Moteur selon lune des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit stator (12) comprend un carter (34) définis sant un compartiment (40) à un emplacement sur la périphé- rie du trajet de rotation de l'aiment annulaire (14), ladite bobine (41) étant placée dans ledit compartiment. 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit compartiment (40) loge le moyen de détection de position (X1Q1) pour la commutation du courant élec- trique qui comprend un dispositif à effet Hall (X1) place près de l'aimant annulaire (14) et un circuit de commuta tison (Q1) pour exciter la bobine (41) quand un segment aimanté d'une polarité est'au voisinage du dispositif à effet Hall. 10. Moteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le carter de stator (34) entoure 1 l'aimant annu- laire (14) 11. Moteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les ailettes de ventilateur(17)sont pla- cées à l'int6risur de l'aimant annulaire (14) 12.Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes du ventilateur s'é- tendent d'un emplacement près de la surface intérieure de l'aimant annulaire jusqu 2 à un moyen central (19), ledit stator (12) comportant un élément central (25) supportant, pour leur rotation, le moyen , les ailettes (17), et les éléments du rotor (11), y compris l'aimant annulaire (14), le stator comprenant en outre des entretoises (33) sZéten- dant vers l'extérieur à partir de l'élément central de star tor (25) jusqu'à un carter (34) entourant les ailettes de ventilateur, ledit carter supportant la bobine (41) près de l'aimant annulaire de rotor (14) et au voisinage de sa surface extérieure. 13. Moteur combiné avec un ventilateur, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen central (19) pivotant, des ailettes de ventilateur (17) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du manchon, un aimant permanent annulaire (14) comportant des segments inversement polarisées dans la direction radiale extérieure, ledit aimant permanent entourant les ailettes du-ventilateur et étant fixé aux ailettes, un carter (34) entourant l'aimant permanent annulaire, une structure de bobine unique et d'é- lectro-aimant de stator (12941,42) définissant des pièces polaires (48,49) supportées par le carter à l'extérieur de I 'aimant annulaires un moyen de commutation (Xl, Ql) sensi ble à la position de l'aimant permanent pour exciter de fa çon répétitive la bobine (41) de manière à appliquer une force rotative aux segments de l'aimant annulaire, et un second aimant permanent (50) ) porté par le carter et placé près de l'aimant annulaire pour mettre l'aimant annulaire au repos dans une position telle que la bobine (41) et la structure d'électro-aimant (42) appliquent une force de démarrage sur l'aimant annulaire pour commencer une rotation de l'aimant annulaire quand l'ensemble moteur et ven- tilateur arreté est excité. 14. Moteur en courant continu sans balai, carac- térisé en ce qu'il comprend un roter (1L) comportant un aimant permanent (14) aimanté en segments prévus sur la periphérie de l'aimant, un stator (12) ne comportant qu'une seule bobine (41) et au moins une pièce polaire (48,49) près de l'aimant, un moyen (41) pour ne fournir du courant à la bobine (41) que dans un sens, et un moyen de commuta tion (X1) commandant le moyen de fourniture de courant (qui) pour exciter séquentiellement et de façon répétitive la bobine (41) de manière à attirer un segment d'une polarité particulière, et pour désexciter ensuite la bobine jusqu ce qu'un autre segment de la polarité particulière soit tourné jusque dans une position pour être attiré 15 Moteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur de ventilateurp en en ce que l'aimant (14) est annulaire, et en ce que les ailettes de ventilateur (17) sont placées à l'intérieur de l'aimant annulaire.