Brevet FR2588132A1 — publié le 19870403

Machine synchrone polventrefers à aimants permanents L'invention, faite au Laboratoire d'Electro- technique de l'Université de Paris VI et XI, Equipe de 5 Recherche associée au CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE n' 070838, concerne les machines élec- triques à réluctance variable polyentrefers, du type comprenant un stator ayant une structure fixe amagné- tique portant plusieurs rangées de plots magnétiques 10 alternant avec des rangées de plots magnétiques portés par une structure mobile et coopérant avec les plots fixes, ainsi que des moyens inducteurs portés par le stator pour créer un champ d'induction suivant un trajet présentant une réluctance variable suivant la position 15 relative des plots fixes et mobiles, les plots magné- tiques des différentes rangées étant placés en vis-à- vis. On connaît déjà des machines électriques tour- nantes du type ci-dessus défini. Le document EP-A- 20 0128 099 décrit par exemple une machine tournante à géo- métrie discoide comportant plusieurs disques rotoriques portant chacun une rangée de plots magnétiques et inter- calés entre des disques statoriques portant également chacun une rangée de plots en matériau magnétique, 25 toutes les rangées étant réparties dans des zones annu- laires de même rayon moyen. Dans ces machines connues polyentrefers, les moyens inducteurs sont constitués par des bobines d'ex- citation prévues pour être alimentées en courant poly- 30 phases pour fournir un champ glissant ou en courant continu haché. La présence de plusieurs entrefers de faible épaisseur pour augmenter le couple dans le cas d'un moteur, tend à réduire les ampére-tours disponibles du fait de la saturation du matériau ferromagnétique. 35 L'invention vise à fournir une machine du type ci-dessus défini dans laquelle l'induction due aux bobines est 2 mieux utilisée. Dans ce but, l'invention propose une machine dans laquelle les plots d'une au moins des séries de rangées sont constitués par des aimants permanents ou 5 associés à de tels aimants. Cette disposition permet de cumuler les avan- tages des aimants, et notamment le fait qu'ils four- nissent un champ d'excitation sans consommation électrique et permettent d'atteindre des forces élevées par 10 unité de surface, et ceux des structures polyentrefers, et notamment un rendement et un couple volumique élevés. De plus, les champs moyens d'induction peuvent être relativement faibles, et l'influence des variations d'épaisseur d'entrefer est réduite. L'instabilité d'ori- 15 gine électromagnétique qui apparaît dans une direction orthogonale par rapport au sens du déplacement se tra- duit par des efforts plus faibles que dans les machines existantes. Les jeux entre disques, dans le cas d'une machine à géométrie "polydiscolde", peuvent être accrus 20 sans conséquence grave sur le rendement, ce qui simpli- fie les problèmes mécaniques de centrage. Enfin, la diminution du flux permet de réduire les sections des pièces magnétiques de fermeture du flux et donc l'en- combrement. 25 L'invention se prête à la réalisation de ma- chines très diverses, et notamment de machines tour- nantes de type polydiscoide et polycylindrique comme de machines linéaires à champ glissant longitudinal. Elle permet également de réaliser des machines de type 30 Vernier. Les aimants peuvent avoir également des dispo- sitions très diverses et on peut notamment prévoir : - pour chaque rangée de plots en matériau ferromagnétique d'une des structures, deux aimants de 35 l'autre structure ayant des aimantations l'une dirigée vers la rangée, l'autre de sens opposé ; 3 - pour deux rangées de plots en matériau ferro- magnétique d'une des structures, les plots des deux rangées ayant un décalage égal à un demi-pas de répar- tition des plots, une rangée d'aimants de l'autre 5 structure, placée entre les deux rangées de la première, les aimants ayant des aimantations parallèles aux rangées et alternées, étant répartis avec un pas moitié de celui des plots ; - pour chaque structure, des aimants à aiman- 10 tation transversale de même sens pour tous les aimants et répartis au même pas sur les deux structures, ces aimants étant séparés par des zones amagnétiques sur les deux structures. L'invention sera mieux comprise à la lecture de 15 la description qui suit de modes particuliers de réali- sation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : la Figure 1 est un schéma de principe, en vue 20 développée, montrant une disposition possible des plots et des aimants d'un moteur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - les Figures 2 et 3, similaires à la Figure 1, montrent deux autres modes de réalisation ; 25 - la Figure 4 est un schéma montrant une machine tournante polydiscolde dont les aimants peuvent compor- ter une des configurations montrées en Figures 1 à 3, en demi-coupe suivant un plan passant par l'axe du rotor ; - la Figure 5 est une vue en coupe suivant la 30 ligne V-V de la Figure 4 avec une disposition des aimants conforme à la Figure 1 ; - la Figure 6, similaire à la Figure 4, montre une machine polycylindrique constituant une variante de réalisation de l'invention ; 35 - la Figure 7, similaire à la Figure 1, montre une variante de disposition ; 4 - les Figures 8 et 9, encore similaires à la Figure 1, montrent des modes de réalisation applicables à une machine à champ longitudinal ou azimutal ; - les Figures 10 et 11 montrent à titre 5 d'exemple la variation de flux B en fonction du courant I et celle du courant en fonction du temps dans le cas d'un courant haché (courbes en traits pleins) et d'un courant sinusoidal (courbes en tirets) ; - la Figure 12, similaire à la Figure 4, montre 10 une disposition dont on peut dire qu'elle est "en ligne", et - les Figures 13 et 14, similaires aux Figures 4 et 5, montrent une disposition dont on peut dire qu'elle est en "barillet". 15 On décrira tout d'abord, en faisant référence aux Figures 1 à 3, des configurations de plots et d'aimants obtenues par répétition suivant une ligne droite (cas d'une machine linéaire) ou un cercle (cas d'une machine tournante) d'un même motif. Pour simpli- 20 fier, on supposera par la suite que ces configurations appartiennent à une machine tournante polydiscoide, mais la transposition à des machines d'autres constitutions est immédiate. Le stator de la machine comporte plusieurs 25 rangées de plots 12 en matériau ferromagnétique, séparés par des intervalles amagnétiques 14 et portés par une structure de fermeture du circuit magnétique (non repré- sentée) munie de bobinages de création d'un champ d'ex- citation. Dans la pratique, les deux rangées extrêmes de 30 plots 12 peuvent être portés par des flasques tandis que les rangées intermédiaires (au nombre de deux dans le cas illustré) sont portées par des disques en matériau- isolant, ou du moins amagnétique, solidaires de ladite structure. 35 Le rotor de la machine comprend de son côté des 5 disques calés sur un arbre rotatif commun (non repré- senté) portant chacun une rangée d'aimants adjacents 10 dont l'aimantation (figurée par des flèches) est alter- née et dirigée perpendiculairement à la direction de 5 déplacement D. Les bobinages inducteurs peuvent notam- ment être du type fournissant un champ d'induction tournant dont les lignes de force traversent les disques dans une direction globalement parallèle à la direction d'aimantation. 10 Les Figures 4 et 5 montrent une constitution possible de la machine polydiscoide : les plots et les aimants 10 sont répartis dans une zone annulaire 15. Les disques rotoriques 16 sont calés sur un arbre 18 porté par un bâti non représenté. Ce bâti assure la rigidité 15 de la machine et contient le circuit magnétique de retour 20 à l'intérieur duquel est placé le bobinage 22 de création d'un champ unipolaire. Le stator peut avoir une constitution connue, par exemple celle décrite dans le document EP-A- 0 128 099 déjà mentionné. 20 Dans le cas d'une constitution polycylindrique, la disposition peut être celle montrée en Figure 6, dont les plots et aimants ont une disposition comparable à celle des plots rotoriques et statoriques de la machine décrite dans la demande de brevet déposée ce jour par le 25 même titulaire pour "Machine tournante à réluctance variable à polyentrefers". La Figure 2 montre une seconde disposition pos- sible des aimants, qu'on peut appeler "à concentration de flux", également utilisable dans une machine du genre 30 montré en Figures 4-5 ou en Figure 6. Le stator comporte des plots magnétiques 12 disposés en rangées parallèles, les plots de deux rangées successives étant décalés de p/2, p désignant le pas de répartition des plots. Le rotor comporte de son côté plusieurs rangées parallèles 35 d'aimants 10 d'orientation alternée, mais toujours parallèle à la direction de déplacement D. Les aimants 6 10 sont séparés par des parties amagnétiques 24. Leur pas de répartition, dans le cas d'une machine synchrone dont le rotor tourne à la vitesse du champ tournant, est égal à p/2, et leur nombre est égal au double de celui 5 des plots. Dans le cas de la Figure 3, le rotor et le sta- tor comportent l'un et l'autre des aimants, respective- ment 10 et 26. Tous les aimants présentent la même orientation, perpendiculaire à la direction de déplace- 10 ment D. Les motifs de répartition des plots et des aimants qui viennent d'être décrits peuvent être combi- nés. La Figure 7 montre l'association en quinconce des motifs montrés en Figure 3. 15 Dans le cas d'une machine à champ longitudinal pouvant être une machine linéaire ayant la constitution d'ensemble du type décrit dans la-demande de brevet déposée ce jour au nom du même titulaire sous le titre "Moteur électrique polyphasé à réluctance variable" ou 20 une machine tournante à champ azimutal, on peut utiliser les dispositions montrées en Figures 8 et 9. Dans le cas de la figure 8, les aimants 10 portés par la structure mobile ont des orientations perpendiculaires à la direc- tion de déplacement D et alternées dans une même rangée. 25 Les aimants en regard de deux rangées adjacentes ont des sens d'aimantation opposés. Les plots 12 du stator ont un pas de répartition double de celui des aimants 10 et sont disposés en quinconce dans deux rangées succes- sives. Dans le cas de la figure 9, les aimants 10 d'une 30 même rangée ont une aimantation longitudinale alternée. D'autres dispositions peuvent être réalisées en combinant les précédentes. Par ailleurs un moteur Vernier peut être constitué en prévoyant un nombre différent d'éléments sur 35 les structures fixe et mobile, par exemple n plots 12 et -2(n±1-) aimants ---1-0- -dans --le cas de la Figure 1. 7 Les figures 10 et 11 montrent la variation du flux dans le cas des machines représentées. On voit que la variation s'effectue dans les quatre quadrants, d'o des flux de retour inférieurs et l'absence de champ 5 d'excitation. La figure 12, o les organes correspondent à ceux de la figure 4 sont désignés par le même numéro de référence, montre une configuration en ligne. Le stator de la machine comporte des bobines 22 de création de 10 champs d'induction, portées par une structure de fermeture des flux B. Cette structure est solidaire de disques que portent les aimants 10 répartis régulière- ment. Le rotor porte cette fois les plots ferromagné- tiques. 15 La machine montrée en figures 13 et 14 (o le stator seul est représenté) a une disposition que l'on peut considérer comme "en barillet" Le disque statorique unique (plusieurs disques peuvent cependant être prévus) est encadré par deux disques rotoriques 16. 20 Ce disque rotorique est porté par une structure support 30 qui n'a pas de rôle dans la fermeture du flux, qui s'effectue par deux flasques terminaux 32, feuilletés en spirale. Les bobinages statoriques 22 encerclent chacun une zone occupée, sur les deux faces du disque, par des 25 aimants alternés 10, séparés par des intervalles étroits non ferromagnétiques 34. Le remplissage entre les deux faces n'est parcouru que par un flux magnétique axial et peut être constitué par de l'isolant dans lequel sont répartis des canaux ferromagnétiques, constitués par 30 exemple par une dispersion. Les disques 16 peuvent de leur côté être constitués par des plots en matériau ferromagnétique noyés dans une matrice isolante assurant la rigidité, avec une disposition similaire à celle des aimants 10 35 sur la figure 5. REVENDICATIONS 1. Machine électrique à réluctance variable polyentrefers, comprenant un stator ayant une structure 5 fixe amagnétique portant plusieurs rangées de plots magnétiques alternant avec des rangées de plots magné- tiques portés par une structure mobile et coopérant avec les plots fixes, ainsi que des moyens inducteurs portés par le stator pour créer un champ d'induction suivant un 10 trajet présentant une réluctance variable suivant la position relative des plots fixes et mobiles, les plots magnétiques des différentes rangées étant placés en vis- à-vis, caractérisée en ce que les plots d'une au moins des séries de rangées sont constitués par des aimants 15 permanents ou associés à de tels aimants. 2. Machine selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la structure mobile porte uniquement des aimants (12). 3. Machine selon la revendication 2, caractéri- 20 sée en ce que, le stator comportant uniquement des rangées de plots (12), la structure mobile comporte, dans chaque rangée, deux aimants (10) ayant des aimantations l'une dirigée vers la rangée, l'autre de sens opposé. 25 4. Machine selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que, le stator comportant des rangées succes- sives de plots (12), les plots de deux rangées succes- sives étant décalés d'un demi-pas de répartition des plots, la structure mobile porte, entre deux rangées 30 successives de plots, des aimants (10) ayant des ai- mantations parallèles aux rangées et alternées, et répartis avec un pas moitié de celui des plots. 5. Machine selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que les deux structures comportent des aimants 35 à aimantation transversale de même sens pour tous les aimants et répartis au même pas sur les deux structures, ces aimants étant séparés par des zones amagnétiques sur les deux structures. 6. Machine selon la revendication 5, caractéri- sée en ce que deux rangées d'aimants successives de 5 l'une des structures sont constituées d'aimants (26) décalés d'un demi-pas tandis que les aimants (10) des deux rangées successives correspondantes de l'autre structure sont alignés. 7. Machine selon la revendication 2 à champ 10 longitudinal, caractérisée en ce que les aimants (10) portés par la structure mobile ont des orientations perpendiculaires à la direction de déplacement (D) et alternées dans une même rangée, les aimants en regard de deux rangées adjacentes ayant des sens d'aimantation 15 opposés, et en ce que les plots (12) du stator ont un pas de répartition double de celui des aimants (10) et sont disposés en quinconce dans deux rangées succes- sives. 8. Machine selon la revendication 1 à champ 20 longitudinal, caractérisée en ce que l'une des struc- tures comport des aimants (10) à aimantation longitudi- nale alternée dans chaque rangée. 9. Machine tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor constituant structure 25 mobile comporte des disques (16) portant les dits plots répartis angulairement, alternés avec au mooins un disque statorique portant des bobines (22) réparties angulairement de création d'un champ axial, chaque bobine entourant sur chaque face du disque plusieurs 30 aimants axialement et à alternance d'aimantation dans le sens circonférentiel (Figures 13-14). 35