Brevet FR2618616A1 — publié le 19890127

La présente invention concerne les machines électriques et, notamment, les servomoteurs à courant continu et à commutation électronique, en particulier, ceux nécessitant un couple d'entraînement et/ou de positionnement élevé. Les machines de ce type comprennent un rotor portant un ou plusieurs aimants permanents, de polarités alternées, coopérant avec un stator supportant au moins un enroulement. L'interaction électromagnétique entre l'enroulement du stator et le rotor engendre un couple moteur ou une force électromotrice, dans le cas où il s'agit d'un générateur. Jusqu'à présent, ce principe a surtout été utilisé pour la réalisation de moteurs de faible puissance pour lesquels les circuits de commande sont abonàémment décrits dans la littérature technique. Ces moteurs comportent généralement deux enroulements dont l'alimentation alternée est commandée par un détecteur de la position du rotor, par exemple un capteur sensible à la polarité de l'aimant du rotor. Pour les machines de puissance plus élevée qui doivent fournir un couple important et un bon rendement, l'état de la technique se limite essentiellement aux moteurs polyphasés utilisant un type de bobinage généralement emprunté aux machines asynchrones. En effet, dans ces machines, l'aimant du rotor exerce sa force magnétomotrice radialement, la valeur de celle-ci est limitée par l'épaisseur de l'aimant et sa qualité magnétique.De sorte que, pour obtenir des couples élevés, il faut utiliser des aimants très performants, ce qui augmente le coût du moteur et le réserve à des utilisations de haute technologie. Un des buts de la présente invention est d'étendre le domaine d'utilisation des machines à courant continu et à commutation électronique vers les puissances élevées en utilisant, pour réaliser le rotor, des aimants de qualité courante et de faible coût. Un autre but est de réduire le coût des enroulements bobinés sur le stator de telles machines et de permettre leur exécution par une main d'oeuvre moins qualifiée. En effet, la réalisation de ces bobinages intervient pour une part très importante dans leur prix de revient. En vue de la réalisation de ce but, on prévoit, selon l'invention, une machine électrique à entrefer radial, comportant: - un rotor constitué, dans le sens axial, d'au moins deux éléments à aimantation permanente, munis d'un nombre pair de pôles uniformément répartis sur la circonférence du rotor et disposés de telle manière que les pôles d'un élément soient déphasés par rapport à l'autre - un stator composé d'autant de circuits magnétiques associés qu'il y a d'éléments à aimantation permanente dans le rotor, chacun des circuits comprenant une partie supportant les enroulements, disposée longitudinalement vis-à-vis de de la partie à aimantation axiale de l'élément coopérant du rotor, entre deux régions polaires s' avançant radialement, face aux extrémités à aimantation radiale dudit élément, de façon que le flux généré par celui-ci se referme sur le circuit magnétique associé du stator. Ainsi, l'aimantation axiale des éléments du rotor rend leur longueur prépondérante dans la détermination de la force magnétomotrice engendrée. On comprend qu'il est plus facile de faire varier la longueur d'aimants cylindriques, plutôt que leur épaisseur. De sorte que l'on obtiendra aisément des valeurs élevées de la force magnétomotrice, sans accroître de façon prohibitive les dimensions de la machine réalisée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront encore à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs, faisant référence aux dessins annexés - la figure 1 est une coupe axiale schématique d'une machine selon l'invention, avec indication de la direction des flux magnétiques, - la figure 2 est une vue d'un rotor selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une variante de réalisation d'un aimant du rotor - la figure 4 est une vue partielle d'un stator selon l'invention, - la figure 5 est une vue partielle du stator muni de ses enroulements, - la figure 6 est une coupe axiale d'une réalisation d'un moteur selon l'invention. - les figures 6a et 6b sont des vues de dessous et de côté d'un tel moteur, - les figures 7 et 8 sont des variantes de réalisation de l'aimant du rotor, - la figure 9 est un schéma électronique de commande, - la figure 10 est un diagramme des forces électromotrices induites dans les enroulements. Schématiquement, une machine selon l'invention est composée (fig. 1) d'au moins deux éléments A et B axialement accouplés, chacun de ces éléments constituant en lui-meme une machine électrique. La réalisation représentée comprend un rotor 1 intérieur, mobile autour d'un axe 2, par exemple, en métal non magnétique. Le rotor porte (fig.2) deux aimants cylindriques 4 et 5 dont l'aimantation est dirigée selon le sens axial, sur la majeure partie de son trajet, et incurvée aux extrémités, de façon à permettre au flux de se refermer radialement sur le stator 3 (fig.1?. Le sens de l'inclinaison sera donc modifié si, contrairement aux exemples représentés, la machine est à rotor extérieur.Si les aimants utilisés sont isotropes, l'inclinaison du champ se fera au moment de leur aimantation; en effet, il existe actuellement des aimants de cette sorte permettant d'obtenir ce type d'aimantation et qui possèdent, en outre, de bonnes qualités magnétiques. Si l'on veut utiliser des aimants anisotropes, dont la qualité est encore supérieure, une telle aimantation n'est pas toujours possible. Dans ce cas, on adjoint aux deux extrémités de chacun des aimants principaux-, tel que 6 (fig.3?, deux disques 7 et 8, réalisés également en matériau magnétique, munis du meme nombre de pôles que l'aimant principal et présentant une forte réluctance périphérique entre leurs propres pôles.En méme temps, grâce à un faible entrefer rotor/stator, on tend à obtenir une faible réluctance par les régions polaires du stator. La combinaison de ces deux conditions oriente les lignes de flux traversant les anneaux dans le sens radial,leur permettant ainsi de se refermer sur le stator. Les disques 7 et 8 peuvent également etre réalisés avec des aimants isotropes qui permettent d'obtenir l'aimantation incurvée voulue. De telles machines sont susceptibles de développer des couples très importants, il est donc parfois nécessaire de fixer les aimants sur le-rotor au moyen, par exemple de clavettes (non représentées > . Les aimants 4 et 5 comportent quatre pôles, ce nombre est préférentiel mais non limitatif. Les pôles de chacun des aimants sont décalés de 90' électrique, par rappport aux pôles de l'autre, de façon à obtenir des couples moteurs, eux-mêmes déphasés de 90'. En effet, on a expliqué plus haut, que la machine selon l'invention se compose, en fait, de deux machines élémentaires A et B couplées axialement. Chacun de ces éléments possède donc un couple variable en fonction de la position de son rotor, par rappport à son stator. Ce couple est nul dans certaines positions du rotor, lorsque l'axe magnétique des pôles du rotor est confondu avec celui des régions polaires du stator.On voit donc que le déphasage des deux aimants, l'un par rapport à l'autre, déphase également les régions de couple nul de chacun d'eux, de sorte qu'il y aura toujours un des aimants en position d'engendrer un couple moteur. La valeur de ce couple dépend, bien entendu, du courant circulant dans les enroulements statoriques, coopérants avec les aimants du rotor. Il est également possible d'accoupler axialement plus de deux machines élémentaires telles que A et B. Dans le cas où l'on accouple trois éléments, on obtient une machine dite "triphasée" dont le couple résultant, composé de la superposition des couples de chacun des trois éléments, est d'une grande régularité. De même, on a décrit le rotor comme composé de deux aimants séparés, il est possible de n'utiliser qu'un seul aimant, si l'on réalise celui-ci dans un matériau capable de recevoir une aimantation axiale.comportant une partie déphasée, par rapport à l'autre, chacune d'elles se refermant isolément et radialement sur le stator. Ainsi les deux aimants 4 et 5 du rotor génèrent deux flux magnétiques indépendants 9 et 10 (fig. 1) qui se referment à travers le stator 3. Celui-ci (fig. 4 > est réalisé en tôles feuilletées pour éviter les pertes par courants de Foucault, il comporte une partie médiane 11 dans laquelle sont pratiquées, une ouverture circulaire 14, pour permettre le débattement du rotor et deux lumières 15a et 15b, dans lesquelles s'engagent, respectivement, les barreaux 16a et 16b (fig, 1). Sur lesdits barreaux, s'emmanchent également, de part et d'autre de la partie médiane 11, les régions polaires 12a, respectivement 12b, 13a, respectivement 13b, lesquelles comportent des lumières appropriées 17a, 17b, 18a, 18b pour permettrent cet emmanchement.Ces régions polaires sont destinées à recueillir le flux engendré par le rotor, lequel est conduit par les barreaux 16a et 16b sur lesquels sont bobinés les enroulements 19a, 19b et 20a, 20b disposés dans l'espace compris entre les régions polaires et la partie médiane dans laquelle s'effectue la fermeture du flux du rotor. Les régions polaires doivent avoir une très forte réluctance périphérique pour empecher que le flux ne se referme à l'intérieur des pôles de la même extrémité, c'est pour cela qu'elles sont conçues comme deux secteurs séparés, à chaque extrémité. La partie médiane commune aux deux éléments,est cependant réalisée en un seul bloc, sans coupure, afin d'augmenter la tenue mécanique de l'ensemble, sans en diminuer les performances,puisqu'elle ne sert qu'à refermer le flux et n'a pas d'influence sur la valeur de celui-ci.En d'autres termes, il faut faire en sorte que le maximum du flux du rotor passe par les barreaux 16a et 16b, tout flux qui ne passe pas par ces éléments constituant une fuite diminuant les performances de la machine. On sait que le rendement d'une machine électrique dépend également de l'entrefer entre l'aimant Qu rotor et les régions polaires coopérantes, celui-ci doit hêtre le plus étroit possible afin de diminuer la réluctance axiale et de diriger le maximum de flux du rotor vers le stator. Dans le cas d'un moteur, par exemple, (fig. 6 > les barreaux 16a et 16b s'articulent, par l'intermédiaire de la partie médiane 11 du stator, avec les flasques 21 et 22 du moteur, lesquelles comportent des butées 24a, 24b, respectivement 25a, 25b usinées de façon suffisamment précise pour que, lorsque les barreaux 16a et 16b sont placés en appui sur elles, la distance desdits barreaux a l'axe 2, soit dans des tolérances compatibles avec celles exigées pour l'entrefer des régions polaires.En effet, il est relativement facile d'usiner ces flasques de façon suffisamment précise. Le positionnement axial des régions polaires du stator, par rapport à sa partie médiane peut etre obtenu, soit par l'intermédiaire d'un radiateur 23 (fig. 6b), entourant le moteur et destiné à son refroidissement, soit en bobinant les enroulements sur des carcasses jouant le rôle d'entretoises. Une variante de réalisation du rotor est représentée figure 7, les anneaux d'extrémité 29, permettant d'obtenir une orientation radiale des lignes de flux sont formés de secteurs 26, réalisés en matériau ferromagnétique, en nombre égal à celui des pôles de l'aimant principal 27. Ces secteurs sont maintenus par une bague 28, en matériau non magnétique et l'ensemble peut être collé ou moulé, pour augmenter la résistance mécanique. Pour simplifier la construction du rotor et en réduire le coût, notamment lorsque la longueur de celui-ci est importante, il est possible de réaliser l'aimant principal 27 par empilage d'anneaux magnétisés dans le même sens, de façon à reconstituer un aimant de la longueur nécessaire.Pour parvenir à une plus grande homogénéité du champ, on peut également utiliser, entre deux aimants principaux, un seul anneau ferromagnétique commun pour coopérer avec l'élément médian 11 du stator. La figure 8 représente une variante de réalisation d'un aimant du rotor, particulièrement avantageuse lorsque l'on utilise des aimants anisotropes. Les extrémités 31, 32 de l'aimant principal 30 sont pourvues d'un profil saillant capable de s'ajuster au profil rentrant de la face en contact, 35, 36 de la bague d'extrémité 33, 34, coopérante. L'ajustement peut être réalisé par une association de profils convexe/concave, comme représenté, ou bien par des profils coniques. L'aimantation de l'aimant principal 30 est axiale, sur toute sa longueur, alors que les bagues d' 'extrémité recoivent une aimantation radiale De cette façon, on obtient une meilleure trajectoire du flux. Le calcul montre que, si on appelle a le diamètre extérieur de l'aimant 30, le profil optimum de ses extrémités est de la forme où X est la coordonnée axiale d'un point de ce profil et y sa coordonnée radiale. Bien entendu, l'ajustement inverse, c'est-à-dire un profil concave porté par les extrémités de l'aimant principal, s'adaptant au profil convexe des bagues d'extrémité, est également possible sans sortir du cadre de la présente invention. Le circuit de commande d'un tel moteur est particulièrement simple, un exemple de réalisation est représenté, figures 9 et 10. Chacun des enroulements du moteur est composé de deux fils bobinés en parallèle et raccordés en sens inverse l'un de l'autre, de façon à générer des forces électromotrices de sens opposés. Les conducteurs 17a et 17b, 18a et 18b correspondent à l'alternance positive des forces électromotrices de chaque élément du stator.Les conducteurs 17a et 17b sont connectés en série, entre eux et avec le collecteur d'un transistor 37, tandis que les conducteurs 18a et 18b sont également connectés en série, entre eux et avec le collecteur d'un transistor 39 Le même branchement est effectué pour les conducteurs correspondant à l'alternance négative des forces électromotrices, respectivement, 17'a, 17'b, branchés en série avec le collecteur du transistor 38 et l8'a, 18'b, branchés en série avec le collecteur du transistor 40. La commutation de chaque enroulement Le moteur fonctionne de la façon suivante: le courant est, par exemple, initialement envoyé dans les conducteurs 17a, 17b, cela correspond à la partie positive de la courbe 43 (fig.10), puis lorsque l'aimant associé du rotor a tourné d'un pas polaire, le circuit 41 interrompt l'alimentation desdits con ducteurs, pour alimenter, par l'intermédiaire du transistor 38, les conducteurs inverses 17'a et 17'b ce qui correspond a la partie négative de la courbe 43.De façon identique, le second circuit de commande 42 alimente alternativement les conducteurs 18a, 18b puis 18'a, 18'b et l'on obtient un couple qui a l'allure de la courbe 44 (fig. 10?. Le pas de déphasage entre les courbes 43 et 44 sera fonction de celui qui existe entre les pôles des aimants du rotor, de sorte que le couple résultant sera une addition des couples de chaque élément et qu'en jouant sur le pas de déphasage et sur le nombre d'éléments on pourra obtenir la forme et la valeur de celui-ci la plus conforme à ce que l'on souhaite. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi que l'invention s'applique également aux machines électriques à rotor extérieur, de même le nombre de pôles des aimants et celui des régions polaires n'est pas limitatif, non plus que celui des éléments composant la machine. On pourrait, par exemple, imaginer des éléments de stator comportant quatre régions polaires, diamétralement opposées et soutenues par quatre barreaux. y V ID N D I G A T I O N S 1 - Machine électrique à entrefer radial, comprenant un rotor à magnétisme permanent présentant, face à un entrefer annulaire, un nombre pair de pôles de magnétisme opposé, régulièrement alternés sur sa périphérie, et qui est monté, mobile en rotation relativement à un stator comportant au moins un enroulement bobiné sur un circuit magnétique, disposé longitudinalement, face à l'entrefer précité, caractérisée en ce que le rotor comporte dans le sens axial, au moins deux éléments à aimantation permanente présentant le méme nombre de pôles, les pôles de l'un étant déphasés par rapport aux pôles de l'autre, et possédant en outre une aimantation dirigée suivant le sens axial, dans leur partie médiane et dans le sens radial à leurs deux extrémités; et en ce que le stator comporte autant de circuits magnétiques associés qu'il y a d'éléments dans le rotor, chacun des circuits étant formé, dans le sens axial,d'une partie supportant les enroulements, disposée longitudinalement, en vis-à-vis de la partie à aimantation axiale de l'élément rotorique coopérant, entre deux régions polaires s'avançant radialement, face aux extrémités à aimantation radiale dudit élément, de façon que le flux généré par celui-ci se referme sur le circuit magnétique associé du stator. 2 - Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments du rotor sont constitués d'un premier matériau magnétique aimanté axialement, dans leur partie médiane 6 et d'anneaux distincts, 7,8 constitués d'un second matériau magnétique aimanté radialement, à leurs extrémités. 3 - Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les anneaux d'extrémité sont réalisés en matériau ferromagnétique et formés de secteurs 26, en nombre égal à celui des pôles de l'aimant principal 27. 4 - Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments du rotor sont constitués d'une partie médiane 30, aimantée axialement dont les faces extremes 31, 32, ont un profil saillant pour s'ajuster sur le profil rentrant de la face interne coopérante, 35, respectivement 36, d'une bague d'extrémité associée, 33, respectivement 34, pourvue d'une aimantation radiale. 5 - Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments du rotor sont constitués d'une partie médiane 30, aimantée axialement, dont les faces extrêmes ont un profil rentrant pour s'ajuster sur le profil saillant de la face interne coopérante d'une bague d'extrémité associée, pourvue d'une aimantation radiale. 6 - Machine électrique selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que l'ajustement entre les faces coopérantes est réalisé par des profils convexe/concave. 7 - Machine électrique selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que le rotor comporte un seul anneau d'extrémité intercalé entre deux éléments adjacents, ledit anneau étant commun à ces deux éléments. 8 - Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie médiane des éléments du rotor est constituée d'un empilage d'anneaux, en matériau magnétique, aimantés dans la même direction axiale. 9 - Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les circuits magnétiques d'un même stator comportent une partie commune constituée d'au moins deux barreaux 16a, 16b, supportant les enroulements, disposés longitudinalement par rapport au rotor et radialement opposés, par rapport à l'axe 2 de la machine sur lesquels sont emmenchés d'une part, au moins deux régions polaires 12a, 12b, 13a, 13b, par circuit magnétique, recueillant le flux engendré par les aimants du rotor, et d'autre part, la partie médiane 11, commune à deux circuits magnétiques contigus, dans laquelle s'effectue la fermeture du flux du rotor. 10 - Machine électrique selon la revendication 9, caractérisée on ce que les régions polaires du stator sont constituée de secteurs séparés.