Brevet FR2639486A1 — publié le 19900525

MACHINE TOURNANTE A AIMANTS PERMANENTS ET BOUCLAGE DE FLUX MAGNETIQUE. L'invention est relative à une machine tournante, par exemple un moteur, a aimants permanents du type a rotor plan annulaire porteur d'aimants permanents et a stator plan annulaire porteur de bobines electriquement reliées par un dispositif de commutation selective une source d'alimentation en courant continu de façon à cooperer par attraction et repulsion magne tique avec les aiments permanents du rotor. Des moteurs electriques de ce type ont deja ete décrits par exemple dans le brevet français 77 27945 (2403675) ou dans le brevet européen 91 125. Dans ce brevet europeen on a decrit un moteur electrique du type comportant une pluralite d'elements modulaires dont chacun comprend un stator annulaire porte-bobines de part et d'autre duquel sont montes deux rotors porteurs d'aimants permanents. Bien que ce type de moteur donne d'excellents résultats et puisse fonctionner en particulier avec une très faible consommation d'energie électrique, on peut avoir besoin dans la pratique d'une augmentation du couple fourni sur l'arbre du moteur. Pour cela on peut songer a augmenter le flux magnétique en disposant par exemple sur les faces libres du ou des rotors des éléments de bouclage de flux magnétique réalisés en fer doux. Si l'on constate bien une augmentation importante du flux apportant une augmentation corrélative du couple sur l'arbre moteur, de tels moyens classiques amènent en contrepartie une diminution importante de la vitesse de rotation. Dans ces conditions, le rendement global du moteur n' est pas amélioré et peut même dans certains cas être diminué.C'est la raison pour laquelle dans les moteurs de ce type et notamment dans le moteur décrit dans le brevet européen 91 125, le flux magnétique des aimants permanents des rotors situés le plus à l'extérieur se boucle dans l'air. La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés et d'augmenter le flux magnétique des aimants permanents des rotors et par conséquent, dans le cas d'un moteur, le couple fourni sur l'arbre moteur sans diminuer sensiblement la vitesse de rotation du moteur. Ce problème est résolu selon l'invention par l'utilisation d'un élément de bouclage de flux magnétique de structure particulière. La machine tournante à à aimants permanents de l'invention comprend un arbre central rotatif sur lequel est monté au moins un rotor annulaire, au moins un stator annulaire étant monté autour de l'arbre central avec un écartement axial par rapport au rotor. L'un de ces éléments annulaires, rotor ou stator, est porteur d'une pluralité d'aimants permanents répartis circonférentiellement sur au moins une face de l'élément annulaire de façon à présenter des pôles adjacents alternés. L'autre élément annulaire est porteur d'une pluralité de bobines réparties circonférentiellement sur au moins une face de l'élément annulaire, chaque bobine ayant un axe parallèle à l'arbre central du moteur.La disposition et le nombre respectif des bobines et des aimants permanents sont tels que lorsque l'une des bobines se trouve alignée avec l'un des aimants permanents, d'autres bobines sont partiellement non alignées avec d'autres aimants permanents. Dans le cas d'un fonctionnement en moteur, la machine comprend, un dispositif de commutation sélective associé au moteur de façon à alimenter lesdites bobines alternativement dans un sens ou dans l'autre en courant électrique continu de façon que les bobines partiellement non alignées soient chaque fois alimentées dans un sens qui provoque la rotation du rotor par attraction et répulsion magnétique simultanées entre lesdites bobines alimentées et les aimants permanents. Selon l'invention, au moins un élément de bouclage de flux magnétique est monté sur la face libre de l'élément annulaire portant les aimants permanents, en regard desdits aimants permanents. L'élément de bouclage de flux magnétique est réalisé par l'enroulé ment en spirale selon un axe parallèle à l'arbre central de la machine, d'une bande d'un matériau magnétique, chaque spire de l'enroulement étant isolée de la spire voisine, par exemple au moyen d'une matière isolante en feuille également enroulée en spirale. Une plaque en ferrite douce est avantageusement placée entre la face libre de l'élément annulaire précité et l'enroulement en spirale précité. L'élément de bouclage de flux magnétique peut avoir une structure annulaire ou au contraire être constitué par une pluralité d'éléments individuels annulaires, chacun recouvrant la zcne d'une paire d'aimants permanents adjacents de polarité différente. Grâce à une telle disposition, on constate une augmentation très sensible du rendement initial de la machine. Bien que le mode d'action de cet élément de bouclage de flux magnétique ne soit pas totalement éclairci, on peut penser que l'utilisation d'un enroulement de matériau magnétique en feuille avec interposition d'un isolant, permet d'éviter l'apparition de courants de Foucault dans l'élément de bouclage de flux magnétique lors des importantes variations de flux qui résultent du fonctionnement de ce type de machine. Dans un mode de réalisation préféré, les aimants permanents sont portés par le ou les rotors, tandis que les bobines sont prevues sur les stators. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs de moteurs selon l'invention et illustrés par les dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe avec arrachement partiel d'un mode de réalisation d'un moteur électrique selon l'invention; la figure 2 est une vue de côté d'un rotor élémentaire; la figure 3 est une vue de l'autre face du même rotor montrant l'élément de bouclage de flux; la figure 4 est une vue de coté d'un stator; la figure 5 est une agrandie en coupe selon V-V de la figure 2; la figure 6 est une vue de côté du flasque du moteur de la figure 1 portant le dispositif de commutation des bobines des stators; la figure 7 est une vue analogue à la figure 3 d'un rotor d'une variante de réalisation; la figure 8 est une vue analogue à la figure 7 d'une autre variante de réalisation;; la figure 9 est une vue analogue d'une troisième variante de réalisation; les figures 10 et 11 montrent schématiquement en vue développée la disposition des différents éléments d'un stator associé à deux rotors dans deux modes de réalisation différents d'une variante de l'invention. Comine on peut le voir sur la figure 1, le moteur illustré comprend une pluralité de modules. Le module de gauche sur la figure 1 comprend un stator annulaire la de part et d'autre duquel sont disposés deux rotors 2a, 2b. Le rotor 2b est commun au module adjacent dont le stator annulaire désigné par lb coopere également avec un second rotor 2c et ainsi de suite jusqu'au dernier module comprenant le stator In et le rotor 2n. Chaque rotor est constitué sous forme d'un disque annulaire plan en matériau non magnétique et non conducteur d'électricité. Tous les rotors sont solidaires de l'arbre-soteur central 3, par exemple par un clavetage non représenté. Le rotor 2 visible en vue de côté sur la figure 2 porte deux paires d'aimants permanents 5 encastrés dans des ouvertures correspondantes du rotor annulaire et maintenus dans le plan de celui-ci, par exemple par collage. Les aimants 5 sont disposés de sorte que sur chaque face du rotor annulaire 2, leurs pôles soient alternés. Les pôles nord et sud sont indiqués sur les figures par les lettres N et S. Les disques rotors d'un même module tels que 2a et 2b ont leurs aimants 5 disposés de sorte que les aimants en regard aient des pôles opposés. Les rotors 2 sont maintenus à un écartement convenable des stators 1 par l'interposition de bagues entretoises 6. Chaque stator 1 est constitué sous la forme d'un disque annulaire plan en matériau non magnétique et non conducteur de l'électricité, engagé avec un faible entrefer entre chaque paire de rotors 2 et assemblé avec les flasques 10 et 11. Chaque stator 1, dont l'un est visible en vue de côté sur la figure 4, comprend une pluralité de bobines 15 réalisées en fil conducteur isolé, enchassées dans l'épaisseur du disque. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, le stator 1 comporte trois bobines 15. Les bobines 15 peuvent être munies d'un noyau ferromagnétique à tres faible hystérésis. Elles peuvent également, comte dans l'exemple illustré, être dépourvues de noyau. Bien que dans l'exemple illustré les aimants permanents 5 soient donc portés par les rotors 2, on comprendra que l'on pourrait également disposer les bobines 15 sur les rotors 2 et les aimants permanents 5 sur les stators 1. Le dispositif de commutation comprend trois porte-balais 16 respectivement connectés à des conducteurs 17 traversant les flasques 10 et les différents stators 1 et connectés sur chacun de ceux-ci l'une des bornes des trois bobines 15 qu'il porte. Les balais 18 cooperent avec un collecteur 19 présentant un nombre de lames conductrices 19a égal au nombre de paires d'aimants 5 utilisés sur chaque rotor soit dans l'exemple illustré, deux lames conductrices. Les lames 19a sont en conduction électrique avec l'arbre 3 à l'autre extrémité duquel est amenée l'une des polarités d'alimentation dp moteur, ici la polarité négative, par l'intermédiaire d'un portebalai 22 dont le balai 23 est sollicité en permanence au contact de l'arbre- teur 3. Les secondes bornes d'alimentation des bobines 13 sont reliées à un conducteur non représenté traversant également les stators 1 et aboutissant à une borne d'amenée de l'autre polarité d'alimentation du moteur. I1 est ainsi constitué un branchement parallèle des bobines 15 à commutation successive contrôlée par Je collecteur 19.On comprendra bien entendu qu'un tel dispositif e commutation classique à collecteur peut être remplacé par un dispositif de commutation électronique statique. On peut également utiliser un dispositif mécanique comprenant une came solidaire du rotor, agissant sur des rupteurs en remplacement des balais et aux bornes desquels sont branchés des condensateurs ayant pour effet d'éliminer les étincelles de commutation. Grâce au fait que les rotors comportent quatre aimants permanents 5 tandis que les stators présentent trois bobines 15, lorsque l'une des bobines 15 se trouve alignée avec l'un des aimants permanents 5, les deux autres bobines 15 sont partiellement non alignées avec les trois autres aimants permanents 5. L'alimentation en courant électrique continu des deux bobines 15 non alignées provoque la rotation des rotors 2 par attraction et répulsion magnétique simultanées de ces deux bobines. L'élément de bouclage de flux magnétique, référencé 24 dans son ensemble, est fixé sur la face libre du rotor 2a opposée au stator la en regard des aimants permanents 5. Le rotor 2a est ici l'élément annulaire porteur d'aimants permanents situé le plus à l'extérieur du moteur. Le rotor 2n est dans la même situation à l'autre extrémité du moteur. Il porte le même élément de bouclage de flux magnétique 24. La description sera faite à partir du rotor 2a. L'élément de bouclage de flux magnétique 24 est constitué dans l'exemple illustré visible en particulier en coupe sur la figure 5 par une plaque en ferrite douce 25 de forme annulaire et un enroulement 26 en spirale selon un axe parallele à l'arbre central 3 d'une bande d'un matériau magnétique. Chaque spire de l'enroulement 26 est isolée de la spire voisine par un matériau électriquement isolant 27. L'ensemble de l'enroulement 26 présente une section générale annulaire comme on peut le voir sur la figure 3 ou seule une partie de l'enroulement 26 a été représentée et recouvre completement la zone des aimants permanents 5. La fixation de l'élément de bouclage de flux magnétique 24 peut être faite par tous moyens, par exemple par collage, sur la face frontale du rotor 2. Dans une variante on peut supprimer la plaque de ferrite 25. La figure 7 illustre une variante de réalisation dans laquelle chaque rotor 2 comporte quatre paires d'aimants permanents 5. Dans l'exemple illustré sur la figure 7, l'élément de bouclage de flux magnétique est également constitué par un anneau unique 26 enroulé en spirale. Dans la variante de la figure 8 qui est identique à celle de la figure 7, l'élément de bouclage de flux magnétique 28 enroulé en spirale comme précédemment présente toutefois une section polygonale. Dans la variante de la figure 9 où le nombre et la disposition des aimants permanents du rotor 2 sont identiques aux variantes des figures 7 et 8, chaque paire d'aimants permanents 5 est munie d'un élément de bouclage de flux magnétique individuel 29 se présentant sous la forme d'un enroulement en spirale analogue à l'enroulement 26 qui recouvre la zone de la paire d'aimants considérée Dans le cas d'un tel mode de réalisation, on peut envisager un bouclage de flux magnétique symétrique sur les deux rotors extérieurs comme illustré sur la figure 10 où les éléments de bouclage de flux magnétique 29a et 29b sur les rotors 2a et 2b sont placés en face les uns des autres.Dans une variante illustrée sur la figure 11, le bouclage se fait au contraire de maniera alternés, les éléments de bouclage 29b portés par le rotor 2b etant décalés par rapport aux elements de bouclage 29a portés par le rotor 2a. On voit en outre sur les figures 10 et 11 que la bobine 15 alimentée de façon à définir des pôles opposés à ceux des aimants permanents par rapport auxquels elle n'est pas alignée est attirée par l'un de ces aimants et repoussée par l'autre ce qui provoque le déplacement du stator dans le sens de la fleche 30. Pendant ce temps l'autre bobine 15 qui était alignée avec deux aimants permanents, n'est pas alimentée. Bien que l'invention ait été décrite en se référant plus particulierement au moteur illustré sur la figure 1, on comprendra qu'elle puisse s'appliquer également à un moteur ne comportant qu'un stator associé à deux rotors ou vice versa, comme le montrent d'ailleurs les figures 10 et 11. Il y a lieu de noter que la réversibilité du moteur est parfaite, comme dans tout moteur électrique. La machine peut donc fonctionner en génératrice lorsque l'arbre est entrainé. On obtient alors aux bornes des bobines un courant alternatif qui peut être redressé par des ponts de diodes installés aux bornes d'une bobine ou d'un groupe de bobines à la même phase. REVENDICATIONS 1. Machine tournante à aimants permanents comprenant un arbre central rotatif (3) sur lequel est monté au moins un rotor annulaire (2), au moins un stator annulaire (1) étant monté autour de l'arbre central avec un écartement axial par rapport au rotor, l'un de ces éléments annulaires, rotor ou stator étant porteur d'une pluralité d'aimants permanents (5) répartis circonférentiellement sur au moins une face de l'élément annulaire de façon à présenter des pôles adjacents alternés, l'autre élément annulaire étant porteur d'une pluralité de bobines (15) réparties circonférentiellement sur au moins une face de 11 élément annulaire, chaque bobine ayant un axe parallèle à l'arbre central; la disposition et le nombre respectif des bobines (15) et des aimants permanents (5) étant tels que lorsque l'une des bobines (15) se trouve alignée avec un des aimants permanents (5), d'autres bobines (15) sont partiellement non alignées avec d'autres aimants permanents (5); caractérisée par le fait qu'au moins un élément de bouclage de flux magnétique (24) est monté sur la face libre de l'élément annulaire portant les aimants permanents, en regard desdits aimants permanents (5), ledit élément étant réalisé par l'enroulement en spirale selon un axe parallèle à l'arbre central de la machine, d'une bande d'un matériau magnétique, chaque spire de l'enroulement étant isolée de la spire voisine. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'une plaque (25) en ferrite douce est placée entre la face libre de l'élément annulaire et l'enroulement en spirale (26). 3. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'élément de bouclage de flux magnétique (24) comprend un anneau unique recouvrant toute la zone des aimants permanents (5). 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'anneau est de section circulaire ou polygonale. 5. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que l'élément de bouclage de flux magnétique comprend une pluralité d'anneaux (29) enroulés en spirale chacun recouvrant la zone d'une paire d'aimants permanents adjacents de polarités différentes. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les aimants permanents sont portés par le ou les rotors (2) tandis que les bobines sont prévues sur les stators (1). 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un élément modulaire dont chacun comporte un stator annulaire (1) de part et d'autre duquel sont disposés deux rotors annulaires (2), les aimants permanents (5) en regard des deux rotors étant de pôles opposés, chaque rotor étant utilisable en commun avec tout élément modulaire adjacent analogue caractérisée par le fait que les faces libres des deux rotors extérieurs portent un élément de bouclage de flux magnétique précité (24). 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le bouclage du flux magnétique des paires d'aimants des deux rotors extérieurs est fait de manière identique ou alternée. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes fonctionnant en moteur électrique caractérisée par le fait qu'elle comprend un dispositif de commutation sélective (19) capable d'alimenter lesdites bobines (15) alternativement dans un sens ou dans l'autre en courant électrique continu de façon que les bobines partiellement non alignées soient chaque fois alimentées dans un sens qui provoque la rotation du rotor par attraction et répulsion magnétique simultanées entre lesdites bobines alimentées et les aimants permanents.