Brevet FR2648636A1 — publié le 19901221

"Moteur à courant continu biphasî sans balais" La crésente invention concerne un moteur à courant contlnu diphasé sans balais pouvant être utilisé par exemple pour de petits moteurs à souffle- rie ou analogues presentant une puissance de sortie relativement faible. Dans le passe, un moteur sans balais de ce type était ccnstitué par un rotor magnétisé de manière à former un système à p8les multiples, et par un 1c statcr dans 7ecuel des bcbines bipcasées ou triphasées étaient formées autour de p5les saillants, de façon qu'une position de rotation du rotor soit détectée et qu'une direction d'excitation par rapport aux bobines soit successivement commutée pour obtenir ainsi une force de rotation dirigée toujours dans le même sens. Cependant, dans un moteur sans balais clas- sique, la mise en oeuvre de la bobine d'enroulement autour de chacun des pôles saillants est extrêmement encombrante. En particulier, dans les moteurs compor- tant un grand nombre de pôles saillants ou dans les moteurs de petite taille, la mise en oeuvre de la bobine d'enroulement est encore plus encombrante. De plus, dans les moteurs comportant un enroulement biphasé, il existe un point mort dans le couple normal d'entraînement en rotation, de sorte que ces moteurs peuvent parfois ne pas démarrer ou ne pas se mettre à tourner. Pour éviter cet inconvénient, on a utilisé différents perfectionnements consistant à placer un pôle intermédiaire sur un stator, à placer des pôles magnétiques permanents espacés à des pas inégaux sur le stator, et à faire varier le nombre- de pôles en deux étapes. Cependant, l'un quelconque des perfec- tionnements décrits ci-dessus présente des inconvé- nients en ce sens que la fabrication de ces moteurs perfectionnés est compliquée et chère, et que le rendement du moteur est détérioré. De plus, dans un moteur utilisant un enroulement triphasé, il n'existe pas de point mort du couple de sorte que ce moteur ne risque jamais de ne pas démarrer lorsqu'il est excité. Dans ce cas cependant, le processus d'enroulment du stator, la détection d'une position de rotation du rotor et les moyens de commutation des bobines sont compliqués, le moteur et sa structure de circuit étant, en outre, plus chers. Compte tenu de ce qui précède, pour remrédier aux inconvénients ci-dessus de l'art antérieur, la présente invention a pour but de créer un perfection- nement permettant de supprimer toute utilisation d'en- roulement de bobine autour des pôles saillants du stator de manière à simplifier la fabrication du moteur pour obtenir un petit moteur bon marché. On évite le point mort du couple de démarrage constituant le point faible d'un moteur biphasé, en réalisant chacun des pôles saillants sous une forme dissymétri- que par rapport à un pôle magnétique permanent venant en face de ce pôle saillant, de manière à assurer la stabilité de démarrage du moteur et à obtenir facile- ment un moteur à pôles multiples. Le principal but de la présente invention est donc de créer un moteur à courant continu biphasé 26.48636 sans balais comprenant un stator dans lequel une paire de noyaux de stator scnt munis d'un certain nombre de pôles saillants sur une culasse de stator montée sur une plaque de base de monture, et d'un corps de bobine réalisé de façon que ce corps de bobine soit placé entre la paire de noyaux de stator et les pôles sail- lants de cette paire de noyaux de stator, avec un espacement angulaire correspondant à un angle électri- que de 180' entre ces pôles, et un rotor muni d'un aimant permanent annulaire comportant des pôles N et S alternativement espacés et en nombre égal à tous les pôles saillants de la paire de noyaux de stator, ces pôles étant disposés dans une direction périphérique de manière à venir er. face de tous les pôles saillants en laissant un petit entrefer entre ces pôles. Chacun ces pôles saillants ccmpcrte une partie munie d'enco- ches dans l'un de coinr.s opposés, suivant le sens de rotation du rotor-, de l'extrémité en saillie des pôles saillants, de manière à donner à chaque pôle saillant une forme dissuadériuae par rapport au pôle magnétique permanent venant juste en face de celui-ci, et chaque pôle saillant comprenanr.t, en outre, des moyens de direction de position opposés à l'aimant permanent pour détecter une position de rotation du rotor de manière à commuter le ser.s d'excitation par rapport au corps de bobine. A cet effet, l'invention concerne un moteur sans balais comprenant un stator muni d'un axe de stator et d'un certain nombre de pôles de stator faisant saillie perpendiculairement à l'axe de stator, ces pôles de stator, exactement équidistants et magné- tisés électriquement, comportant des extrémités en saillie se situant dans une surface cylindrique imagi- naire conmmune; un rotor pouvant tourner coaxialement par rapport à l'axe de stator et comportant des pôles. magnétiques permanents espacés avec des polarités alternativement Nord et Sud, et disposés périphérique- ment de manière à venir en face des extrémités en saillie des pôles du stator, avec un petit intervalle d'entrefer annulaire entre les deux; et des moyens de détection de position destinés à détecter la position de rotation du rotor pour commuter ainsi le sens du courant électrique de magnétisation des pôles de stator, moteur caractérisé en ce que le stator comprend une bobine d'enroulement cylindrique enroulée coaxialement sur l'axe de stator et excitée dans un mode biphasé, les premier et second disques de stator annulaires étant montés coaxialement sur l'axe de stator avec la bobine entre les deux; en ce que les pôles de stator comprennent un premier ensemble et un second ensemble de ceux-ci faisant saillie sur les bords périphériques extérieurs respectifs des premier et second disques de.stator, les pôles de stator du premier ensemble étant de même nombre et présentant des espacements angulaires électriques d'approximati- vement 1805 par rapport aux pôles de stator du second ensemble, chaque pôle de stator des premier et second ensembles comportant une partie entaillée formée dans l'un des coins opposés de leur extrémité en saillie, et orientée de manière à se situer au voisinage du coin sans entaille du pôle de stator adjacent; en ce que les pôles magnétiques permanents du rotor sont de même nombre et scnt disposés de manière à recouvrir tous les pôles de stator; et en ce que les moyens de détection de position sont opposés aux pôles magnéti- ques permanents avec un intervalle d'entrefer entre eux, et servent à détecter la position et la polarité des pôles magnétiques. D'autres caractéristiques de l'invention sont caractérisées en ce que: 264863e - la partie entaillée du pôle de stator comporte un bord incliné linéairement vers l'un des côtés opposés du pôle de stator. - toutes les extrémités en saillie des pôles de stator présentent des largeurs angulaires exacte- ment égales. - toutes les parties entaillées des pôles de stator présentant des largeurs angulaires exactement égales. - les moyens de détection de position sont constituées par un élément à effet Hall. Suivant un autre aspect de la présente invention, une paire de noyaux de stator et un corps de bobine sont utilisés sur le pourtour extérieur d'une culasse de stator tubulaire, un arbre de rota- tion est monté coaxialement en rotation dans la culas- se de stator de manière à traverser celle-ci, une culasse de rotor en forme de pot est montée sur une extrémité de l'arbre de manière à entourer ie pourtour extérieur du stator, et un aimant permanent est placé sur la surface périphérique intérieure de la culasse de rotor. Suivant un autre aspect de la présente invention, chacun des noyaux de stator comporte quatre pôles saillants angulairer.ent équidistants, et l'ai- mant permanent comporte huit pôles angulairement équi- distants. Suivant un autre aspect enfin de la présente invention, le noyau de stator est réalisé dans une plaque d'acier feuilleté. Une forme de réalisation d'un moteur à courant continu biphasé sans balais selon la présente invention, sera décrite en détails en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté, en coupe, d'un moteur à courant continu biphasé sans balais; - la figure 2a est une vue en perspective éclatée de ce moteur; - la figure 2b est une vue en élévation du noyau de stator; - la figure 3 est une vue développée représentant la relation entre les pôles N et S de l'aimant perma- nent, et les pôles saillants du stator, et - les figures 4a et 4b sont des vues représentant respectivement la répartition du couple. La figure 1 est une vue en coupe représen- tant une forme de réalisation d'un moteur à courant biphasé sans balais, et La figure 2a est une vue en perspective éclatée de ce moteur. A une plaque de base de monture I est fixée une extrémité d'une culasse de statzr tubulaire 1 dans laquelle un arbre de rotation 3 est introduit et monté coaxialement en rotation par des caliers de roulement 2 interposés entre les deux. La culasse de stator 4 comporte un certain nombre de pales saillants dans sa périphérie extérieure. Dans la présente invention, un noyau de stator 5 réalisé dans une plaque d'acier feuilleté comportant quatre pôles saillants 5a à 5d, un noyau de stator 6 réalisé dans une plaque d'acier feuilleté comportant de la même façon quatre pôles saillants ta à 6d, et un corps de bobine 8 constitué par un enroulement de bobine placé autour d'une bobine 7, sont montés de façon que le corps de bobine 8 soit placé entre la paire de noyaux de stator 5 et 6, et que les pô1es saillants de la paire de noyaux de stator.5, 6 soient espacés angulai- rement les uns par rapport aux autres d'un angle élec- trique de 180* et d'un angle mécanique de 45', ces éléments constituant le stator 9. Une extrémité de l'arbre de rotation 3 sort à l'extérieur de la plaque de base de monture 1 pour former un arbre de sortie, et l'autre ex:rémité de cet arbre 3 est fixée à une partie centrale d'une plaque latérale 0lb d'une culasse de rotor en. forme de pot , de manière à venir en face d'.une partie cylindri- que lOa d'une culasse de rotor 10, ce stator 9 et un aimant permanent en forme d'anneau i; zuni de huit pôles magnétisés dans le sens de l'épaisseur et espa- cés par des angles mécaniques à un pas de 45' pour former des pôles Nord et Sud alternés, est fixé à la surface périphérique intérieure de la partie cylindri- que 10Ca de la culasse de rotor 10 de.-mar.:ère à laisser un petit intervalle d'entrefer par rappc: à la surfa- ce périphérique extérieure du stator 9, ces éléments constituant le rotor 12. Comme indiqué à la figure 2b, chacun des pôles saillants 5a à 5d et 6a à 6d est réalisé sous une forme de plaque et comporte une partie entaillée cbliquement 16 formée dans l'un des coins opposés, suivant le sens de rotation du rotor 12, de l'extrémité extérieure de ce ôle saillant, cette partie entaillée étant orientee;a manière à être voisine du coin sans entaille du pôle saillant adjacent à ce pôle saillant consideré. De plus, dans cette forme de réalisation, toutes les extrémités extérieures e= toutes les parties entaillées i6 présentent des lar-eurs angulai- res sensiblement égales qui sont mesurée- respective- ment sur la base de l'axe central de la culasse de statcr 4. Un élément de détection de pos-tion 13 cons- titué par un élément à effet Hall pour détecter une position de rotation du rotor 12, et des moyens de commutation 14 destinées à commuter, sous l'action de l'élément de détection de position 13, le sens d'exci- tation par rapport au corps de bobine 8, sont disposés sur un substrat imprimé 15 placé sur la surface inté- rieure de la plaque de base de monture i. La figure 3 est une vue développée représen- tant la relation entre les pales saillants de structu- re ci-dessus 5a à 5d et 6a à 6d de la paire de noyaux de stator 5 et 6, et le réseau des pôles de l'aimant permanent 11 du rotor 12. Les pôles saillants 5a à 5d et les autres pôles saillants 6a à-6d changent de polarité relative lorsqu'on commute le sens d'excita- tion par rapport au corps de bobine 8, ce sens d'exci- tation étant modifié tous les changements de période de r/4 par l'élément de détection de pcsition. Les figures 4a et 4b représentent les distributions de couple. Comme indiqué à la figure 4a, la distribution de couple peut être considérée comme une distribution divisée en un couple produit lorsque le stator est excité, c'est-à-dire un coup e d'onde fondamentale a, et ur. couple produit seulement par l'aimant permanent il du rotor 12 lorsque le stator n'est pas excité, c'est-à-dire un second couple harmo- niaue b d'ordre plus élevé. Dans la mise en oeuvre prazique du moteur, corme le sens d'excitation par rapport au corps de bobine 8 est inversé tous les changements de période de /4 comme indiqué ci-dessus, le couple d'onde fondamentale change de manière répétit.ve dans le même sens de vibration à chaque changeme.nt de période de r/4, comme indiqué à la figure 4b. Par suite, la repartition de couple produite par l'excitation du stator 9 est constituée par une combir.aison du couple d'onde fondamentale ci-dessus a et du second couple harmonique d'ordre plus élevé b, comme indiqué en pointillés, ce qui permet au rotor 12 de tourner. D'autre part, si dans le moteur indiqué ci- dessus chacun des pôles saillants 5a à 5d et 6a à 6d est modifié (A) pour ne pas comporter de partie entaillée de façon que toute la surface de son extré- mité extérieure soit opposée à la surface intérieure de l'aimant permanent 11 avec une distance d'entrefer constante entre les deux, ou (B) pour former deux parties entaillées présentant des dimensions exacte- ment égales dans les coins opposés respectifs de l'extrémité extérieure du pôle saillant, de façon que les deux parties entaillées soient symétriques par rapport à l'axe géométrique central du pôle saillant, le couple d'onde fcndamentale a et le second couple harmonique plus élevé b ont la même position pour laquelle leurs niveaux de couple sont nuls, tous les changements de période de r/4 sur l'axe de coordonnées des angles de phase ou des déplacements angulaires relatifs du moteur, c'est-à-dire que la valeur c indi- quée à la figure 4b devient nuiie. Ce résultat peut être attribué au fait que dans c.acun des pôles saillants, la ligne centrale de magnétisation par le pnle magnétique permanent venant juste en face de ce pile saillant pour produire le second couple harm.cni.4que plus é'evé b, se situe sur la ligne centrale de magnetisation par la bobine 8 pour produire le couple fondamental a. Par suite, à i'in- verse du moteur selon la présente invention, ce moteur modifié présente le point mort indiqué ci-dessus. Dans la présente forme de réalisation de l'invention, on a décrit le cas o huit pâles sont disposés alternative- ment avec les polarités Nord et Sud sur le rotor 12, mais le nombre de pâles n'est pas limité à la disposi- tion indiquée ci-dessus. De plus, si l'on augmente le nombre de pôles magnétirues permanents, le corps de bobine 8 reste inchangé mais seul le nombre total des pôles saillants de la paire de noyaux de stator est choisi de ranier.e à être égal au total des pôles magnétiques permanents, ce quOpermet ainsi d'obtenir un moteur multipolaire. En outre, bien que dans la forme de réalisa- tion décrite ci-dessus le stator soit entouré par la culasse du rotor et les pôles saillants du noyau de stator soient opposés à la surface périphérique inté- rieure de l'aimant permanent en forme d'anneau, on remarquera évidemment que les pôles saillants du noyau de stator peuvent être opposés au pourtour extérieur de l'aimant permanent. Comme décrit ci-dessus, dans le moteur sans balais selon la présente invention, il n'est pas nécessaire de former une bobine autcur de chacun des pôles saillants, ce qui permet d'obtenir l'avantage d'une structure et d'une fabrication très simples du moteur à un faible coût. De plus, la présente inven- tien présente divers autres avantages en ce sens que le moteur peut être miniaturisé; qu'un moteur multi- pclaire peut être facilement construit sans modifier le nombre des enroulements de la bobine; que comme le moteur est de type biphasé, le syst:.e d'er.traînement est simple et l'on peut réduire la taille de l'élément de détection de position, du circuit de commutation, etc; et que, en utilisant une partle entaillée dans chacun des coins opposés de l'extrém:ité extérieure de chacun des pôles saillants, la position angulaire de phase du niveau de couple nul par rapport au couple d'onde fondamentale a ne coïncide pas avec celle du niveau de couple nul par rapport au second couple harmonique plus élevé b, de sorte que le démarrage du moteur est facile lorsqu'on allume L'alimentation de puissance. Bien que l'invention ait été plus particu-- lièrement représentée et décrite en se référant à une forme préférée de réalisation, il apparaîtra à l'évi- dence aux spécialistes de la question que des modifi- cations de forme et de détails peuvent être apportées sans sortir du cadre de l'invention. l1 RE VE N D I C A T IONS 1') Moteur sans balais comprenant un stator (9) muni d'un axe de stator (4) et d'un certain nombre de pôles de stator (5a à Sd, 6a à 6d) faisant saillie perpendiculairement à l'axe de stator (4), ces pôles de stator (Sa à 5d, 6a à 6d), exactement équidistants et magnétisés électriquement, comportant des extrémi- tés en saillie se situant dans une surface cylindrique imaginaire commune; un rotor (12) pouvant tourner coaxialemient par rapport à l'axe de stator (4) et comportant des pôles magnétiques permanents (11) espa- cés avec des polarités alternativement Nord et Sud, et disposes périphériquement de manière à venir en face des extrémités en saillie des pôles (5a à 5d, 6a à 6d) du stator, avec un petit intervalle d'entrefer annu- laire entre les deux; et des moyens de détection de position (13, 14) destinés à détecter la position de rotation du rotor (12) pour commuter ainsi le sens du courant électrique de Magneétisation des pôles de stator (Sa à 5d, 6a à 6d), moteur caractérisé en ce que le stator (9) comprend une bobine d'enrculement cylindrique (8) enroulée coaxialement sur l'axe de stator (4) et excitée dans un mode biphasé, les premier et second disques de stator annulaires (5, 6) étant montés ccaxialemer.t sur l'axe de stator (4) avec la bobine (8) entre les deux; en ce que les pôles de stator (Sa à 5d, 6a à 6d) comprennent un premier ensemble et un second ensemble (Sa à 5d et 6a à 6d) de ceux-ci faisant saillie sur les bords périphériques extérieurs respectifs des premier et second c'sques de stator (5, 6), les pôles de stator (Sa à 5d) du premier ensemble étant de même nombre et présentant des espacements angulaires électriques d'approximati- vement 180I par rapport aux pôles de stator (6a à 6d) du seccnd ensemble, chaque pôle de stator (5a à Sd et 6a à 6d) des premier et second ensembles comportant une partie entaillée (16) formée dans l'un des coins opposés de leur extrémité en saillie, et orientée de manière à se situer au voisinage du coin sans entaille du pâle de stator adjacent; en ce que les pâles magnétiques permanents (11) du rotor (12) sont de même nombre et sont disposés de manière à recouvrir tous les pâles de stator (Sa à 5d et 6a à 6d); et en ce que les moyens de détection de position (13, 14) sont opposés aux pâles magnétiques permanents (11) avec un intervalle d'entrefer entre eux, et servent à détecter la position et la polarité des pâles magnétiques (11). 2') Moteur sans balais selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la partie entaillée (16) du pâle de stator (Sa à 5d et 6a à 6d) comporte un bord incliné linéairement vers l'un des côtés opposés du pâle de stator (5a à 5d et 6a à 6d). 3') Moteur sans balais selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérise en ce que toutes les extrémités en saillie des pâles de stator (5a à 5d et 6a à 6d) présentent des largeurs angulai- res exactement égales. 4') Moteur sans balais selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que toutes les parties entaillées 16) des pâles de stator (Sa à 5d et 6a à 6d) présentant des largeurs angulai- res exactement égaies. ') Moteur sans balais selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de détection de position (13, 14) sont constituées par un élément à effet Hall (13).