Brevet FR2658673A1 — publié le 19910823

Moteur électrique à courant continu à deux axes de rotation. La présente invention concerne un agencement de moteur électrique à courant continu comportant un rotor à deux degrés de liberté, c'est-à-dire apte à tourner par rapport à deux axes de rotation. Un tel moteur électrique à deux axes de rotation peut être utilisé dans toute application o il est nécessaire de fournir un couple de précession à une droite directrice, avec un angle de débattement limité. C'est le cas notamment pour des viseurs (par exemple pointage d'un détecteur de rayonnements, autodirecteur pour des missiles, etc). On connaît déjà des dispositifs motorisés comportant un organe mobile (rotor) mobile en rotation par rapport à deux axes Toutefois, ces dispositifs connus comportent des paires de bobinages distincts ou des paires d'ensembles de bobinages distincts qui sont nécessairement encombrants Il peut par exemple s'agir de moteurs électriques individuels périphériques montés respectivement sur les deux cadres mutuellement mobiles d'un montage à cardan Outre qu'ils sont encombrants, ces agencements connus sont également lourds. L'invention a donc essentiellement pour objet de proposer une structure perfectionnée de moteur élec- trique qui permette d'écarter les inconvénients des solutions antérieures et de mieux donner satisfaction aux diverses exigences, en proposant un moteur électrique à rotor mobile en rotation par rapport à deux axes, qui est plus compact et moins lourd que les paires de moteurs utilisées jusqu'à présent. A ces fins, un moteur électrique conforme à l'invention est caractérisé: en ce que le rotor comprend un aimant permanent et est mobile en rotation autour d'un centre de rotation avec deux degrés de liberté, avec une plage de débattement angulaire prédéterminée, inférieure à 180 ', par rapport à une position de repos, et en ce que le stator comprend une pièce de retour de flux statorique supportant deux bobinages croisés indépendants, disposés en correspondance avec les deux degrés de liberté du rotor et s'étendant respectivement sur une étendue angulaire en correspondance avec la susdite plage de débattement angulaire du rotor. Grâce à cette structure, le rotor est apte à être dévié d'une position de repos (ou position pointée), par rotation autour du centre de rotation selon l'un et/ou l'autre des degrés de liberté, en fonction des excitations électriques appliquées respec- tivement aux bobinages du stator. Le rendement du moteur sera nettement amélioré par la présence d'une pièce de retour de flux rotorique associée à l'aimant du rotor, à l'opposé du stator. Dans un exemple de réalisation préféré, le rotor comprend un bras supporté de manière à pouvoir tourner autour dudit centre de rotation, selon les deux degrés de liberté susindiqués, et supportant à une extrémité libre le susdit aimant permanent. Pour certaines applications, les faces en regard du rotor et du stator pourront être en forme de calotte sphérique respectivement convexe et concave et seront sensiblement parallèles l'une à l'autre de manière à avoir un entrefer constant et minimum dans toute la plage de débattement du rotor. Dans un premier exemple de réalisation possible, il est prévu des plages de débattement angulaire du rotor par rapport à chacun des deux axes de rotation et la pièce de retour de flux statorique possède alors un contour rectangulaire ou carré; bien entendu les débattements angulaires peuvent être différents de part et d'autre de la position de repos, et ce pour chacun des axes de rotation L'enveloppe des débattements du rotor est alors une pyramide, symétrique ou asymétrique. Dans un second exemple de réalisation possible, il est prévu une plage de débattement angulaire du rotor par rapport au centre de rotation et la pièce de retour de flux statorique possède alors un contour circulaire (valeur maximale de dépointage); l'enveloppe de débattements du rotor est alors un cône. Il est possible que le centre de rotation soit constitué par une articulation sphérique, ce qui laisse toute liberté quant à l'architecture de l'ensemble du moteur. Dans le cas le plus courant o les deux degrés de liberté en rotation sont déterminés par rapport à deux axes orthogonaux, les deux bobinages du stator sont mutuellement perpendiculaires et le centre de rotation est déterminé par une articulation sphérique ou une articulation à cardan à deux axes orthogonaux. Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant, au moins un des bobinages est constitué sous forme de deux demi-bobinages indépendants s'éten- dant respectivement de part et d'autre de la position de repos et excitables de façon indépendante Ainsi, par une commande appropriée de chaque demi-bobinage, il est possible d'accroître le couple moteur lorsque le rotor est en position dépointée, et en particulier fortement dépointée. Le moteur électrique conforme à l'invention satisfait donc pleinement aux exigences recherchées par le fait que, tout en possédant un rotor apte à tourner par rapport à deux axes de rotation, le groupement des deux bobinages statoriques correspondants sur une même carcasse de stator permet de gagner en encombrement et en poids. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue très schématique, de côté, d'un moteur électrique conforme à l'invention; les figures 2 A et 2 B sont des vues schéma- tiques de face de deux réalisations possibles de la pièce de retour de flux statorique utilisable dans le moteur de la fig 1; la figure 3 est une vue schématique de côté, en coupe, d'un exemple concret de réalisation du moteur de l'invention, incorporant la pièce de retour de flux statorique de la fig 2 A; les figures 4 et 5 sont des schémas montrant le tracé des équiflux magnétiques du moteur de 1 'inven- tion respectivement dans deux positions fonctionnelles différentes; la figure 6 est une vue schématique d'une va- riante de réalisation du stator du moteur de la fig 1; la figure 7 est un diagramme représentant la variation du facteur d'échelle du moteur de la fig 6 en fonction de la valeur angulaire du dépointage du rotor et les figures 8 A et 8 B sont deux diagrammes illustrant le principe de la commande des demi-bobinages du moteur de la figure 6. En se référant tout d'abord à la figure 1, un moteur électrique à courant continu conforme à l'invention comprend un rotor 1 et un stator 2. Le rotor comporte un bras 3 mobile en rotation autour d'un point O avec deux degrés de liberté de rotation, respectivement autour des axes OY et OZ; les trois axes OX (axe du bras 3 en position de repos -voir ci-après-) , OY et OZ sont mutuellement perpendiculaires (OZ étant perpendiculaire au plan du dessin) A son extrémité libre, le bras 3 supporte un aimant permanent 4 (la direction d'aimantation étant indiquée par des flèches 5), en arrière duquel est prévue une pièce 6 de retour de flux rotorique (pièce canalisant le flux magnétique). Le stator 2 comprend une armature rigide constituant une pièce de retour de flux statorique 7 sur laquelle deux bobinages indépendants 8 sont disposés en configuration croisée en correspondance avec la position mutuelle des axes OY et OZ (ici mutuellement perpendi- culaires) Sur la fig 1 seul apparait l'un des bobi- nages 8 (l'autre bobinage est disposé, de la même ma- nière, perpendiculairement au plan du dessin). Des commandes ou excitations électriques sépa- rées respectivement pour les deux bobinages permettent de provoquer la rotation du rotor autour du point O par rapport aux deux axes OY et OZ On peut ainsi définir un angle de dépointage a qui est l'angle formé par l'axe du bras 3 avec l'axe OX de référence; pour a = O (axe du bras coïncidant avec l'axe OX, position représentée à la fig 1), le rotor est dit "en position pointée". Les rotations du rotor sont limitées à un débat- tement angulaire inférieur à 180 en principe, et en pratique n'excédant pas 60 à 70-. Les rotations du rotor sont limitées angulaire- ment: soit en définissant un angle de dépointage maximum, l'enveloppe des positions du rotor étant alors un cône de sommet O et d'axe OX; la pièce de retour de flux statorique 7 peut alors posséder un contour circu- laire; la fig 2 A représente une telle pièce vue de face, sur laquelle sont visibles deux ensembles d'en- coches, respectivement 9 a et 9 k, mutuellement décalées de 90 et destinées à recevoir les deux bobinages orthogonaux 8 a et 8 b (non représentés de façon détaillée et uniquement symbolisés par des traits mixtes); la pièce 7 est munie d'oreilles 10 saillant radialement pour sa fixation sur le carter du moteur; soit en définissant des angles maximum de rotation autour de chacun des axes OY et OZ, angles maximum qui peuvent du reste être différents respectivement pour OY et OZ et être chacun différents de part et d'autre de l'axe OX; l'enveloppe des positions du rotor est alors une pyramide de sommet O et de base carrée (angles égaux pour OY et OZ) ou rectangulaire (angles différents pour OY et OZ), symétrique (débattements identiques de part et d'autre de OX) ou asymétrique (débattements a a 2, a 3, a 4 différents de part et d'autre de OX); la figure 2 B représente le contour (en tirets) d'une pièce de retour de flux statorique réalisable dans un tel cas d'une enveloppe en forme de pyramide de base rectangulaire asymétrique; l'agence- ment des encoches est identique à ce qui a été montré à la fig 2 A et n'est pas représenté à nouveau. L'articulation à double rotation du bras 3 peut être agencée selon toute solution technique appropriée connue de l'homme de l'art Les plus courantes sont la rotule sphérique et surtout l'articulation à cardan à deux axes qui est la plus simple quant à la réalisation. La figure 3 montre un exemple concret de réali- sation d'un moteur agencé conformément à l'invention, avec une pièce de retour de flux statorique 7 conforme à celle de la fig 2 A et une articulation 12 du bras 3 du type cardan à deux axes orthogonaux respectivement 13 et 14; l'axe 14 du cardan et la pièce 7 sont supportés par un carter 15 enfermant le moteur. Dans les agencements de moteur montrés aux fi- gures 1 et 3, les faces mutuellement en regard du rotor et du stator sont en forme de calottes sphériques, respectivement convexe et concave, et sont sensiblement parallèles l'une à l'autre On obtient un entrefer sensiblement constant et aussi faible que souhaité sur toute la plage de déplacement angulaire du rotor; en outre le volume de l'aimant est plus important Toute- fois, on pourra tout aussi bien avoir recours à d'autres configurations du rotor et/ou du stator pour rechercher des effets particuliers, en fonction des applications spécifiques du moteur. Sur les figures 4 et 5, on a représenté la con- figuration des lignes de flux magnétique (lignes d'équi- flux) dans deux positions fonctionnelles du moteur, sa- voir en position pointée pour la figure 4 et en position dépointée pour la figure 5. On constate que la partie du bobinage qui est située du côté concave de la pièce de retour de flux statorique est "baignée" par le champ magnétique issu de l'aimant permanent du rotor, alors que la partie du bobinage située du côté convexe de la pièce de retour de flux ne voit pratiquement plus de champ magnétique, quelle que soit la position du rotor. Il en résulte qu'en faisant passer un courant d'intensité I 1 dans l'un des bobinages (bobinage Ne 1), on produit un couple moteur K 1 I 1 agissant sur le rotor suivant l'axe OY, et par un couplage d'axe on produit également un couple a 1 I 1 agissant sur le rotor suivant l'axe OZ De même lors de l'excitation de l'autre bobinage (bobinage Ne 2). Le couple total agissant sur le rotor est donc suivant OY: CY = K 1 I 1 + C 2 I 2 suivant OZ: CZ = K 2 I 2 + C 1 I 1 Les termes de couplage ai Ii sont, en valeur absolue, plus faibles que les termes directs Ki Ii Ki Ii (ai Ii,i = 1 ou 2). Les coefficients K 1 et K 2 sont appelés facteurs d'échelle du moteur Ils dépendent essentiellement de la géométrie du système et de la position du rotor. Quand les courants moteurs I 1 et 12 sont nuls, il existe un couple résiduel CR qui agit sur le rotor. Ce couple CR est dû à la présence de la pièce de retour de flux statorique devant l'aimant Physiquement, l'ai- mant de rotor tend à se positionner en face de la pièce de retour de flux statorique de manière à faciliter le passage du flux magnétique, c'est-àdire de manière à minimiser l'énergie totale du système Le couple résiduel CR dépend principalement de l'angle de dépointage a et est pratiquement perpendiculaire au plan de dépointage défini par l'axe du bras 3 du rotor et l'axe OX de référence Il est possible de diminuer en partie l'influence de ce couple résiduel CR en disposant judicieusement sur le stator du moteur des pièces en matériau magnétique et des pièces en matériau aimantable. Pour accroître le couple moteur, en particulier pour un dépointage important du rotor, on peut prévoir que chaque bobinage 8 a; 8 k soit constitué par deux demi bobinages respectivement 8 a 1, 8 a 2 et 8 b 1, 8 b 2 indépen- dants l'un de l'autre; sur la fig 6, seuls les demi- bobinages 8 b 1 et 8 b 2 sont visibles On constitue ainsi deux demimoteurs a 1, a 2; respectivement b 1, b 2 pour chaque axe de rotation. L'intérêt de ce montage apparaît sur les résul- tats de l'étude magnétique représentés à la figure 7. Quand l'angle de dépointage du rotor atteint une valeur importante, on constate que les gains des demi-moteurs a 1, a 2 ou b 1, b 2 sont inversés Si on commande un demi-moteur par un courant inverse de l'autre à partir d'une certaine valeur de l'angle de dépointage du rotor, on peut augmenter le facteur d'échelle total du moteur sur chaque axe de rotation. Sur la figure 7 les courbes 16 et 17 repré- sentent les variations des facteurs d'échelle respectifs des demi-moteurs a 1 (ou b 1) et a 2 (ou b 2), respective- ment (en ordonnés, en pourcents de la valeur maximale) en fonction de l'angle de dépointage du rotor (en abscisses) On constate que le facteur d'échelle obtenu pour chaque demi-moteur change de signe à partir d'une certaine valeur angulaire (voisine de 13 ' dans le cas considéré) Le facteur d'échelle global du moteur varie alors comme représenté par la courbe 18 Pour compenser la perte de couple entraînée par cet inversion du facteur d'échelle, il suffit donc, au-delà de ces valeurs, d'inverser le sens du courant du demi-moteur dont le facteur d'échelle a changé de signe (voir courbe 19) Le gain en couple est net à puissance égale. Pour éviter un phénomène de 'pompage" qui pourrait se produire quand le rotor oscille autour de la valeur angulaire d'inversion du courant, il est souhai- table de réaliser l'inversion de courant avec une hystérésis en fonction de l'angle de rotation du rotor, comme représenté respectivement sur la figure 8 A pour le demi-moteur a 1 (ou b 1) et sur la figure 8 B pour le demi- moteur a 2 (ou b 2). Ainsi, la commande du demi-moteur a 1 (ou b 1) peut s'effectuer de la façon suivante: pour -13- O)) pour -15 devant le facteur d'échelle total du moteur complet. La commande du demi-moteur B s'effectuera de la même manière comme suit: pour -30- + 1) pour 15 0) pour 13 (commande au niveau + 1 ou - Typiquement, on pourra avoir A = = 1 par exemple. Comme il va de soi et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réa- lisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 1 1 REVENDICATIONS 1 Moteur électrique à courant continu compor- tant un stator ( 2) et un rotor ( 1), caractérisé: en ce que le rotor ( 1) comprend un aimant permanent ( 4) et est mobile en rotation autour d'un centre de rotation (O) avec deux degrés de liberté, avec une plage de débattement angulaire (a) prédéterminée, inférieure à -, par rapport à une position de repos (OX), et en ce que le stator ( 2) comprend une pièce de retour de flux statorique ( 7) supportant deux bobinages croisés indépendants ( 8), disposés en correspondance avec les deux degrés de liberté du rotor et s'étendant respecti- vement sur une étendue angulaire en correspondance avec la susdite plage de débattement angulaire du rotor, ce grâce à quoi le rotor est apte à être dévié d'une position de repos par rotation autour du centre de rota- tion, selon l'un et/ou l'autre des degrés de liberté, en fonction des excitations électriques appliquées respec- tivement aux bobinages du stator. 2 Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pièce de retour de flux rotorique ( 6) est associée à l'aimant ( 4) du rotor, à l'opposé du stator. 3 Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rotor comprend un bras ( 3) supporté de manière à pouvoir tourner autour dudit centre de rotation ( 0), selon les deux degrés de liberté susindiqués, et supportant à une extrémité libre le susdit aimant permanent ( 4). 4 Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faces en regard du rotor et du stator sont en forme de calotte sphérique respectivement convexe et concave et sont sensiblement parallèles l'une à l'autre. 5 Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu I 2 des plages (ai 1 " 2; '3 " 4) de débattement angulaire du rotor ( 2) par rapport à chacun des deux axes de rotation (OY, OZ) et en ce que la pièce de retour de flux statorique ( 7) possède alors un contour rectangulaire ou carré. 6 Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu une plage de débattement angulaire du rotor par rapport au centre de rotation et en ce que la pièce de retour de flux statorique ( 7) possède alors un contour circulaire. 7 Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le centre de rotation ( 0) est déterminé par une articulation sphérique. 8 Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux axes de rotation (OY, OZ) sont orthogonaux, en ce que les deux bobinages ( 8) du stator sont mutuellement perpendiculaires et en ce que le centre de rotation ( 0) est déterminé par une articulation sphérique ou une articulation à cardan ( 12) à deux axes orthogonaux ( 13, 14). 9 Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que au moins un des bobinages ( 8) est constitué sous forme de deux demi- bobinages indépendants ( 8 a, 8 h) s'étendant respective- ment de part et d'autre de la position de repos (OX) et excitables de façon indépendante.