Brevet FR2570229A1 — publié le 19860314

MOTEUR A COURANT CONTINU, SANS COLLECTEUR, POUR GRANDES VITESSES DE ROTATION L'invention concerne un moteur à courant.continu, sans collecteur, pour entraîner un rotor en rotation rapide, constitué par une cloche et un arbre rotorique central qui est solidarisé à celle-ci et qui forme un entrefer radial avec deux pôles magnétiques larges de , par une bobine statorique sans fer formant saillie dans cet entrefer, par deux sondes de Hall pour déceler la position du rotor, et par quatre éléments de commutation électriques qui sont commandés successivement par des signaux électriques venant de ces sondes de Hall. Un tel moteur peut servir, par exemple, à l'entraînement de turbo-pompes moléculaires, gyroscopes, broches de filature ou de rectification, et notamment de rotors sur paliers magnétiques. Les machines à grande vitesse de rotation sont, pour la plupart, entraînées aujourd'hui par des moteurs à courant triphasé. Un inconvénient de ces moteurs est que l'accroissement de l'interstice (entrefer) entre rotor et stator entraîne une diminution de rendement du fait de l'accroissement du courant magnétisant. Les moteurs à courant continu sans collecteur, avec stator feuilleté doté d'un enroulement et rotor à aimantation permanente ne présentent certes pas cet inconvénient, mais exercent toutefois des forces radiales d'attraction entre rotor et stator, lesquelles doivent, s'il y a des paliers magnétiques, être compensées par des forces supplémentaires sur les paliers. Par la demande de brevet allemand P 3 302 839, on connait un moteur dépourvu de ces inconvénients, dans lequel un enroulement sans fer pénètre dans un entrefer multipolaire magnétisé. Des agencements bipolaires ne sont que difficilement réalisables à l'aide de ce type de construction, car il n'y a pas de place disponible pour les têtes d'enroulement. Les agencements quadripolaires exigent, pour l'entraînement, une fréquence double, ce qui conduit à des pertes de commutation plus importantes dans l'appareillage d'alimentation et à de plus fortes pertes par courants parasites dans les fils de l'enroulement. En outre, la réalisation d'un tel enroulement est très compliquée et exige un entrefer important. On connait en outre des moteurs à courant continu commutés par balais et munis d'enroulements obliques sans fer, décrits par exemple par Fritz Faulhaber sous le titre "Bases de calcul simples pour moteurs de positionnement à courant continu, à démarrage rapide" ("Einfache Berechnungsgrundlagen fUr rasch anlaufende Gleichstrom-Stellmotoren", VDIZ., vol. 107, nO 4, pages 149 à 152). Ces moteurs sont certes exempts d'efforts radiaux, mais ils sont mal adaptés au vide ou aux très grandes vitesses de rotation, du fait de leur collecteur. L'invention a pour but de proposer un moteur dépourvu des inconvénients sus-mentionnés, et permettant notamment d'entraîner un arbre sans efforts radiaux, avec de faibles pertes, cela en ayant un faible entrefer et un enroulement simple et robuste, sans têtes d'enroulement. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la bobine statorique est constituée par un enroulement oblique ayant quatre portions égales, les débuts de ces portions d'enroulement étant tous reliés à une borne de la source de tension de fonctionnement, et les fins de ces portions d'enroulement étant reliées à l'autre borne de la source de tension, cela à chaque fois par l'un de quatre éléments de commutation électriques commandés. La conception-réalisation de l'enroulement oblique en quatre enroulements partiels dont les débuts sont tous reliés à une borne de la source de tension de fonctionnement et dont les fins sont reliées, par quatre éléments de commutation électriques commandés, à l'autre borne cette source de tension, autorise l'utilisation d'appareils pour entraînement par courant continu réalisés de manière usuelle (voir les instructions d'utilisation concernant les turbo-pompes moléculaires TPH 170, TPU 170 et l'électronique d'entraînement TCP 300, n PM 800 093 BD,E,F, éditées par la firme Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH). La commande des portions d'enroulement s'effectue à l'aide de deux sondes de Hall situées sur le côté interne ou externe de l'enroulement, sur les mêmes génératrices que les débuts des portions d'enroulement un et deux. Si l'induction dans l'entrefer est uniforme, la force contreélectromotrice induite par l'enroulement oblique évolue sinusoidalement, ce qui est un inconvénient pour la source de tension de fonctionnement. Toutefois, si les surfaces polaires sont telles qu'un pôle magnétique large de 180 consiste en deux segments aimantés, larges chacun de 90 , magnétisés parallèlement à leurs plans de symétrie, l'induction dans l'entrefer est réduite au milieu d'un pôle ce qui permet d'aplatir l'arceau en sinus de la force contre-électromotrice et permet ainsi au moteur d'engendrer une force contre-électromotrice constante. L'utilisation d'un enroulement plus long que l'entrefer magnétisé, la partie d'enroulement débordante étant fixée sur un tube-support ayant une bonne conductibilité thermique, permet d'évacuer la chaleur de l'enroulement, ce qui est particulièrement avantageux dans le vide. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente une vue développée de l'enroulement oblique et montre la position des sondes de Hall et un schéma illustrant la circulation du courant; - la figure 2 représente une coupe transversale du moteur, faite dans le plan des sondes de Hall; et - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation. Le carter ou enveloppe dans lequel se trouve l'agencement est désigné par la référence 9. Une douille de refermeture en fer 2, avec aimants 3 aimantés radialement, est montée dans un rotor 1 avec arbre rotorique 7 en acier monté dans les flasques 10 avec deux paliers magnétiques 8. Dans l'interstice ou entrefer 11 formé entre cloche et arbre rotorique est agencée une bobine statorique 4 qui est solidaire de l'enveloppe et qui, par son extrémité inférieure, déborde hors de la cloche rotorique et est entourée par une douille-support 6 en aluminium. Cette dernière évacue vers l'enveloppe la chaleur due aux pertes, produite dans la bobine statorique. Des sondes ou capteurs de Hall 5 sont fixés sur le côté intérieur de la bobine statorique, dans la paroi d'une douille cylindrique à mince paroi, en matière isolante. La référence 12 désigne des paliers de secours et la référence 13 désigne des paliers d!appui axial. Dans sa partie supérieure, la figure 1 représente le développement de' la bobine statorique. Commençant en a1, l'enroulement franchit le demipérimètre et atteint le bord opposé d'o il revient au point de départ en passant par le côté verso. De là, la spire suivante suit un tracé parallèle à celui de la première. En poursuivant d'une manière analogue ce mode d'enroulement, on obtient un enroulement continu à deux couches, dont le nombre de spires, la longueur et le diamètre dépendent de l'épaisseur du fil. L'enroulement est subdivisé en quatre enroulements partiels identiques dont les débuts sont connectés en aI et dont les fins, a2 à a5, vont chacune à un collecteur d'un transistor de commutation. Lorsque la ligne de séparation polaire du rotor passe devant la sonde de Hall H1, le transistor T1 est mis en état de conduction. Après un quart de tour, la ligne de séparation polaire passe devant la sonde de Hall H2, de sorte que le transistor T1 est mis en état de non-conduction et le transistor T2 en état de conduction, et ainsi de suite. Pour engendrer les signaux de commande, les tensions de sortie des sondes de Hall sont amplifiées chacune par un préamplificateur et les tensions de sortie sont transmises à un décodeur connu, du type "un parmi quatre", lequel génère des impulsions déphasées de 90 , durant 90 d'un tour, pour commander les transistors T1 à T4. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. 2570Z29 REVENDICATIONS 1. Moteur à courant continu, sans collecteur, pour entraîner un rotor en rotation rapide, constitué par une cloche et un arbre rotorique central (7) qui est solidarisé à celle-ci et qui forme un entrefer radial (11) avec deux pôles magnétiques (3) larges de 180 , par une bobine.statorique sans fer (4) formant saillie dans cet entrefer, par deux sondes de Hall (5) pour déceler la position du rotor, et par quatre éléments de commutation électriques qui sont commandés successivement par des signaux électriques venant de ces sondes de Hall, caractérisé en ce que la bobine statorique (4) est constituée par un enroulement oblique (figure 1) ayant quatre portions égales, les débuts de ces portions d'enroulement étant tous reliés à une borne de la source de tension de fonctionnement, et les fins de ces portions d'enroulement étant reliées à l'autre borne de la source de tension, cela à chaque fois par l'un de quatre éléments de commutation électriques commandés. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sondes de Hall (H1, H2) sont situées sur le côté interne ou externe de l'enroulement, sur les mêmes génératrices que les débuts des portions d'enroulement un et deux. 3. Moteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un pôle magnétique large de 180 consiste en deux segments aimantés, larges chacun de 90 , magnétisés parallèlement à leurs plans de symétrie. 4. Moteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'enroulement est plus long que l'entrefer magnétisé, la partie d'enroulement débordante étant fixée sur un tubesupport (6) ayant une bonne conductibilité thermique.