Brevet FR2538182A1 — publié le 19840622

La présente invention se rapporte à des stators pour servomoteurs à courant continu du type à collecteur à aimants permanents et elle a trait plus particulièrement à une nouvelle structure, améliorée de façon optimale, de la zone interpolaire de stator pour augmenter les valeurs de couples pouvant être obtenues avec de tels servomoteurs à courant continu. La plupart des servomoteurs à courant continu et à aimants permanents comprennent un stator fabriqué à partir d'un tube suivant une diversité de procédés et auquel on ajoute les aimants permanents. Dans de tels moteurs, ledit tube est usuellement cylindrique et il a une épaisseur de paroi sensiblement uniforme. Des aimants permanents sont répartis par groupes de multiples de deux de façon égale et symétrique par rapport à 11 axe polaire et ils sont maintenus dans des positions fixes par des moyens mécaniques, par exemple par des attaches au moyen d'un adhésif. L'épaisseur des aimants, considérée radialement par rapport à l'axe polaire, est déterminée par la matière magnétique nécessaire pour maintenir un champ magnétique d'une puissance suffisante dans le circuit magnétique du moteur.Le tube magnétique passif, qui forme le stator avec les aimants permanents, peut être continu ou bien, comme cela est plus courant, il peut etre formé par stratification de plusieurs disques coaxiaux qui, dans la structure stratifiée, forment le tube. Des progrès réalisés dans les technologies d'applications ont augmenté le besoin de disposer de moteurs à couples élevés. Par le passé, des tentatives pour améliorer les performances de moteurs à couples élevés ont eu un succès limité. Des améliorations ont été obtenues par introduction d'aimants plus puissants permettant d'utiliser des aimants plus minces. Cela s'est traduit par une réduction de l'espacement interpolaire entre la culasse et l'induit et par une augmentation de la fuite interpolaire engendrant une tension dans l'enroulement d'induit en train d'être commuté et en provoquant ainsi une formation excessive d'étincelles sur les balais et ainsi un risque de claquage du collecteur. Cette fuite est le résultat d'une réaction induit. En outre, dans une zone du stator, le champ d'induit s'oppose au flux de stator alors que, dans une autre zone, le champ d'induit assiste le flux de stator. I1 en résulte, à cause d'une saturation de l'acier, une diminution du flux total de stator. Le problème défini ci-dessus est particulièrement accentué lorsqu'on utilise dans l'ensemble de stator des aimants à forte production d'énergie, par exemple des aimants en terres rares ayant une valeur de production d'énergie > / 18 MGO ( Megagaussoersted ). Pour que de tels servomoteurs à courant continu accélèrent et décélèrent rapidement et sans réduction des performances, on a proposé d'utiliser des induits de rotor du type en cuvette assez coûteux à la place des induits à noyau en fer bobiné conventionnels. En ce qui concerne la présente invention, on a découvert que l'influence du flux de réaction d'induit dans la zone interpolaire de stator peut être réduite et qu'on peut améliorer les valeurs de couples et les performances de commutation en augmentant la zone interpolaire non magnétique. I1 en résulte une amélioration de la valeur de couple par ampère pour des couples élevés ; la distorsion du flux de stator primaire pour de forts courants d'induit est améliorée. On a découvert qu'on pouvait améliorer les valeurs élevées de couple pouvant être obtenues avec un servomoteur à courant continu et aimants permanents et qu'il était possible d'atteindre de façon semblable des performances maximales avec un servomoteur d'un dimensionnement donné si la zone interpolaire située à l'extrémité de 1 D aimant permanent était évidée jusqu'à une profondeur faisant intervenir des rapports d'autres dimensions importantes d'aimants du stator. Cela est réalisé en observant certains rapports entre la profondeur d'évidement de la zone interpolaire et d'une part la somme de la longueur de pole en aimant permanent et de l'épaisseur de culasse annulaire et d'autre part le diamètre intérieur, ou D.I, des pièces polaires. Conformément à la présente invention, il est prévu un servomoteur à courant continu du tpe à collecteur à aimants permanents comprenant un induit de rotor à noyau en fer bobiné et un ensemble de stator à aimant permanent, ledit ensemble comportant une culasse annulaire pourvue d'une ouverture axiale centrale et plusieurs pièces polaires à aimants permanents placées à lJintérieur de ladite ouverture et espacées également de et autour de l'axe de ladite culasse, caractérisé en ce que chacune desdites pièces polaires comprend un aimant permanent incurvé et un élément incurvé en matière magnétique placé entre ledit aimant permanent et ladite culasse, les extrémités adjacentes desdits aimants incurvés et desdits éléments incurvés en matière magnétique formant une zone interpolaire évidée ;; et en ce que le rapport entre l'épaisseur radiale combinée (12, Fig. 1) dudit aimant permanent incurvé et dudit élément incurvé en matière magnétique et l'épaisseur radiale combinée (13, fig.l) dudit aimant permanent incurvé, dudit élément incurvé en matière magnétique et de ladite culasse annulaire, s'écrit où P désigne le nombre de pôles à aimants permanents. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la Fig. 1 est une vue en bout d'un ensemble de stator à aimants permanents conforme à l'invention, comportant des zones interpolaires évidées la Fig. 2 est une vue isométrique de l'ensemble de stator à aimants permanents de la fig. 1 ; la Fig. 3 est une vue en bout à échelle agrandie d'une moitié de la distribution de flux magnétique du servomoteur pourvu de l'ensemble de stator conforme à l'invention pour un courant de 27,8 A. la Fig. 4 est une vue en bout à échelle agrandie d'une moitié de la distribution de flux magnétique d'un servomoteur de type connu pour un courant de 27,8 A. la Fig. 5 est une vue en bout à échelle agrandie d'une moitié de la distribution de flux magnétique du servomoteur de la fig. 3 pour un courant de 192 A. la Fig. 6 est une vue en bout à échelle agrandie d'une moitié de la distribution de flux magnétique du servomoteur de l'art antérieur de la fig. 4 pour un courant de 192 A. ; la Fig. 7 est un graphique donnant les courbes de performances du servomoteur équipé de l'ensemble de stator conforme à la présente invention ; et la Fig. 8 est un graphique donnant les courbes de performances d'un servomoteur comparable de l'art antérieur. Sur la Fig. 1, l'ensemble de stator d'un servomoteur à courant continu et aimants permanents est représenté dans une vue faite à partir d'une extremité du noyau et il est constitué d'une culasse cylindrique 2 en matière magnétique, par exemple en fer doux, comportant des-éléments incurvés 4, 6 répartis à intervalles égaux et également formés d'une matière magnétique, telle que du fer doux, des aimants permanents incurvés 8, 10 formés de terres rares, de cobalt ou d'autres matières à magnétisme permanent de grande puissance étant fixés sur les surfaces intérieures incurvées des éléments 4, 6. De préférence les aimants permanents sont formes d'une matière magnétique-comme par exemple une terre rare, ayant une valeur de production d'énergie qui est par exemple > 18 MGO.Les éléments incurvés 4, 6 peuvent être fixés par vissage, par boulonnage ou par collage sur la surface intérieure de la culasse 2 ou bien ils peuvent former une seule et même pièce avec la culasse 2. La culasse 2 peut être un tube çontinu ou bien, de préférence, la culasse 2 et les éléments incurvés 4, 6 constituent des pièces estampées qui sont empilées l'une sur l'autre et stratifiées sous forme d'un tube en étant maintenues assemblées par des soudures, des rivets ou d'autres moyens structuralement corrects. Le procédé qui est utilisé ne doit évidemment pas altérer les propriétés magnétiques de la structure stratifiée. Le noyau de stator de la Fig. 1 est représenté comme étant monté dans un servomoteur comportant un induit tournant dans le sens des aiguilLes d'une montre. Le champ d'induit engendré dans un tel moteur est opposé au flux de stator dans les zones du stator qui sont mises en évidence par des lignes en traits mixtes et qui sont désignées par B alors qu'il assiste le flux de stator dans les zones délimitées d'une façon semblable et désignées par A sur le noyau de stator. Comme cela a déjà été précisé, les performances du servomoteur à courant continu et à aimants permanents conforme à la présente invention sont augmentées au maximum en proportionnant les épaisseurs radiales de différentes parties des composants du stator à aimants permanents les unes par rapport aux autres et par rapport au diamètre intérieur (D.I) du noyau de stator.Ainsi on a découvert que, en donnant au rapport entre d'une part l'épaisseur radiale combinée 12, qui comprend l'épaisseur radiale 11 des aimants permanents 8, 10 de la fig. 1, et l'épaisseur radiale 13 des éléments incurvés en matière magnétique 4, 6, et d'autre part l'épaisseur radiale combinée des aimants permanents 8, 10, des éléments incurvés en matière magnétique 4, 6 et de la culasse de stator 2, une valeur de 0,44 + 20 % pour un moteur à deux pôles ou, d'une façon générique, une valeur de 1 : ( 1 9 2156) + 20 % pour des moteurs à deux pièces polaires P - ou plus, les performances du moteur étaient améliorées ( P désignant le nombre de pales ). Les performances du moteur sont encore améliorées en donnant au rapport entre 1 3et le diamètre intérieur des pièces polaires une valeur de 0,39 + 15 % - 5 % pour des moteurs à deux pâles ou, d'une façon générique, une valeur de ( 1 + 2,56 ) : 5,83 + 15 % - 5 % pour des moteurs de deux P poles ou plus. D'autres améliorations de performances sont obtenues en donnant au rapport 12 : D.I une valeur de 0,17 + 15 %. L'ensemble de stator de la Fig. 1, utilisable dans un modèle dudit servomoteur, est dessiné sensiblement à sa taille réelle. Sur la Fig. 2, on a représenté une vue isométrique de l'ensemble de stator à aimants permanents de la fig. 1. Des éléments incurvés, qui sont disposés en dessous des aimants 8, 10, constituent une seule et même pièce avec la culasse 2. L'ensemble de stator comporte deux zones interpolaires évidées 11, 12. Les meilleures caractéristiques de performances du servomoteur de la présente invention pourront etre mieux appréciées en référence aux figures 3 à 8 qui donnent une comparaison avec des servomoteurs de l'art antérieur. La Figure 3 représente une vue à échelle agrandie d'une moitié de la distribution de flux existant dans le stator des figures 1 et 2 et dans le servomoteur respectif lorsqu'un courant de 27,8 ampères est appliqué à un ensemble d'induit 13 à noyau en fer conventionnel. L'ensemble d'induit de rotor 13 est pourvu de plusieurs encoches 14 destinées à recevoir des enroulements, comme indiqué schématiquement sur la figure. L'aimant permanent incurvé 8 est composé de plusieurs sections. De préférence l'aimant 8 est composé d'un ou deux segments. La culasse 2 comprend des zones polaires évidées Il, 12. Les lignes irrégulières en traits minces montrent les trajets de flux qui sont engendrés dans le servomoteur en charge continue.On constate une absence virtuelle de trajets de flux dans les zones interpolaires évidées 11, 12 et le vecteur de déplacement de pôle défini par les trajets de flux est orienté d'un angle de 8". L'échelle indiquée en bas de la fig. 3 est utilisable pour déterminer la distance des trajets de flux à partir du centre du servomoteur et les dimensions approximatives du servomoteur, en centimètres. La Figure 4 est une vue en bout à échelle agrandie mettant en évidence une moitié de la distribution de flux existant dans le servomoteur comparable de l'art antérieur, composé d'une culasse de stator 16, d'un aimant permanent 17 et d'un induit 18 comportant plusieurs encoches 19. Le diamètre exikieur (D.E) de la culasse 16 est égal au diamètre extérieur (D.E) de la culasse 2 du servomoteur de la présente invention représenté sur la fig. 3, et le diamètre extérieur (D.E) de l'induit 18 est égal au diamètre extérieur (D.E) de l'ensemble d'induit 13 ( fig. 3 ). Lorsqu'un courant de 27,8 ampères est appliqué aux enroulements de l'induit 18, les lignes irrégulières en traits minces représentent les trajets de flux pour la même valeur de charge que sur la fig. 3. On peut remarquer qu'il existe un nombre supérieur de trajets de flux dans les zones interpolaires 20, 21 et que le vecteur de déplacement de pole est orienté d'un angle de 110. Le décalage de flux dans le moteur de la fig. 3 présente une réduction de 3 par rapport à celui de la fig. 4. Le décalage de flux est provoqué par une réaction d'induit qui a été décrite ci-dessus. La figure 5 est une vue en bout à échelle agrandie mettant en évidence une moitié de la distribution de flux existant lorsqu' un courant de 192 ampères est appliqué à l'ensemble d'induit 13 du servomoteur de la présente invention représenté sur les figures 1, 2 et 3. Ce courant représente le double de la valeur nominale du courant de crête. I1 est évident qu'il existe certains trajets de flux au travers des zones interpolaires évidées 11, 12 et qu'on enregistre également un décalage du vecteur de déplacement de pôle jusqu'à 33o La figure 6 est une vue en bout à échelle agrandie mettant en évidence une moitié de la distribution de flux obtenue quand un courant de 192 ampères est appliqué au servomoteur de l'art antérieur représenté sur la fig. 4, qui comprend une culasse 16, un aimant permanent 17 et un induit 18.Bien que la charge soit identique à la charge intervenant sur la fig. 5, on enregistre une augmentation sensible du nombre de trajets de flux dans les zones interpolaires 19, 20 par rapport au nombre de trajets de flux indiqués dans les zones interpolaires 11, 12 de la fig. 5. L'augmentation du nombre de trajets de flux met en évidence l'augmentation de la réaction d'induit et une réduction correspondante de performances. Le vecteur de déplacement de pôle est orienté d'un angle de 50 , ce qui représente une augmentation de 17" du décalage de flux par rapport au décalage obtenu pour le servomoteur conforme à la présente invention et représenté sur la fig. 5. Le nombre réduit de trajets deflux et la réduction du décalage de flux qui sont mis en évidence sur la figure 5 indiquent une diminution de la réaction d"induit et par conséguent une amélioration des performances du servomoteur conforme à l'invention. Les graphiques des figures 7 et 8 donnent-respectivement les courbes de performances du servomoteur de la présente invention et du servomoteur comparable de l'art antérieur des figures 4 et 6. Comme le montrent lesdits graphiques, le servomoteur de la présente invention est capable de commuter sous une puissance de 8,2 kW en cours d'accélération et de décélération entre 5000 et 3000 t/mn par comparaison à une puissance de 6,1 kW pour le servomoteur comparable de l'art antérieur En conséquence, le servomoteur de la présente invention est capable de commuter sous une puissance 34 % supérieure à celle du servomoteur comparable de l'art antérieur, ces deux moteurs comportant un induit de rotor à noyau en fer bobiné de type classique. REVENDICATIONS 1. Servomoteur à courant continu du type à collecteur à aimants permanents, comprenant un induit de rotor à noyau en fer bobiné et un ensemble de stator à aimants permanents, ledit ensemble comprenant une culasse annuîair2pourvue d'une ouverture axiale centrale et plusieurs pièces polaires à aimants permanents placées dans ladite ouverture et espacées également de et autour de l'axe de ladite culasse (2), caractérisé en ce que chacune desdites pièces polaires comprend un aimant permanent incurvé (8, 10) et un élément incurvé en matière magnétique ( 4, 6) placé entre ledit aimant permanent ( 8, 10 ) et ladite culasse , les extrémités adjacentes desdits aimants incurvés ( 8, 10) et desdits éléments incurvés en matière magnétique (4, 6) formant une zone interpolaire évidée ; et en ce que le rapport entre l'épaisseur radiale combinée ( 12, fig. 1 ) dudit aimant permanent incurvé et dudit élément incurvé en matière magnétique et l'épaisseur radiale combinée ( 13, fig. 1 ) dudit aimant permanent incurvé, dudit élément incurvé en matière magnétique et de ladite culasse annulaire, s'écrit où P désigne le nombre de pôles à aimants permanents. 2. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de stator constitue une structure à deux pôles et en ce que ledit rapport 12 = 0,44 + 20 %. 3 3. Servomoteur selon la -revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre d'une part l'épaisseur radiale combinée 13 dudit aimant permanent incurvé (8, 10), dudit élément incurvé en matière magnétique (4, 6) et de ladite culasse annulaire (2) et d'autre part le diamètre intérieur (D.I) desdits aimants permanents incurvés (8, 10) est défini par la relation suivante 4. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport 5. Servomoteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport entre d'une part l'épaisseur radiale combinée (12) dudit aimant permanent incurvé (8,10) et dudit élément incurvé en matière magnétique (4, 6) et d'autre part le diamètre intérieur (D.I) desdits aimants permanents incurvés (8, 10) est défini par la relation suivante 6.Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite culasse annulaire (2) et lesdits éléments incurvés en matière magnétique (4, 6) forment une seule et même pièce. 7. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite culasse annulaire (2) est tubulaire. 8. Servomoteur selon l'une des revendications 1 ou 7, caractérisé en ce que ladite culasse annulaire tubulaire (2) et lesdits éléments incurvés (4, 6) sont fabriqués à partir d'une pluralité d'éléments en forme de disques qui sont empilés l'un sur l'autre dans une structure stratifiée. 9. Servomoteur selon l'une des revendications 1 ou 7, caractérisé en ce que lesdits éléments incurvés en matière magnétique (4, 6) sont fixés sur ladite culasse annulaire (2). 10. Servomoteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les aimants permanents sont formés d'un matériau ayant une grande valeur de production d'énergie. 11. Servomoteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau magnétique des aimants permanents a une valeur de produit d'énergie > 18 MGO ( MegagaussQrsted ).