Brevet FR2714773A1 — publié le 19950707

La présente invention concerne un moteur synchrone à aimants permanents. L'invention concerne plus particulièrement un moteur synchrone destiné à être intégré à un dispositif d'assistance électrique d'une direction de véhicule automobile. On connaît différentes conceptions d'un dispositif d'assistance électrique pour une direction de véhicule automobile qui comportent en général un moteur électrique à commutation électromécanique associé à un embrayage et à un motoréducteur, un circuit électronique de pilotage de l'alimentation en courant du moteur et un circuit électronique de commande qui prend notamment en compte un paramètre représentatif du couple appliqué par le conducteur au volant et qui est mesuré par un capteur de couple. Une direction assistée électrique est avantageuse par rapport à un dispositif à assistance hydraulique dans la mesure où la consommation moyenne est faible car le circuit d'assistance ne consomme de l'énergie que lorsque le conducteur sollicite la direction, et d'autre part, il est particulièrement aisé de réaliser un contrôle de l'effort d'assistance, par exemple en fonction de la vitesse de roulage du véhicule, à l'aide du circuit électronique de commande auquel on peut transmettre différents paramètres représentatifs du roulage du véhicule. La conception du moteur électrique d'assistance utilisé dans une direction assistée électrique est déterminante pour son bon fonctionnement et pour le confort d'utilisation du véhicule. Cette conception est en effet déterminante dans le cas d'un moteur à commutation électronique car il est alors primordial de minimiser les ondulations du couple d'assistance fourni par le moteur qui sont ressenties au volant par le conducteur, et notamment lorsque le quotient du couple d'assistance fourni par le couple appliqué au volant par le conducteur augmente. I1 est donc nécessaire que le moteur électrique et son circuit électronique de pilotage ne produise pas d'ondulations du couple d'assistance. Lorsqu'il est fait appel à un moteur à commutation électronique, et afin de résoudre ce problème, il est généralement proposé d'utiliser un moteur à répartition d'induction sinusoïdale et à encoches inclinées alimenté par un onduleur délivrant des courants de forme sinusol- dale. Pour produire de tels courants, il faut disposer d'un codeur angulaire de la position du rotor présentant une très grande définition et donc très coûteux. La présente invention a pour but de proposer une nouvelle conception d'un moteur synchrone à aimants permanents et à commutation électronique qui soit d'un coût réduit et qui remédie aux inconvénients qui viennent d'être mentionnés. Dans ce but, l'invention propose un moteur synchrone à aimants permanents et à commutation électronique du type comportant un stator dans lequel sont formées des encoches réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe du stator et qui reçoivent des bobinages statoriques, et un rotor comportant des aimants permanents, caractérisé en ce que le quotient du nombre d'encoches NE divisé par le nombre d'aimants NA et par le nombre de phases NP du courant d'alimentation du moteur est un nombre fractionnaire NF. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le nombre d'aimants NA est un nombre pair qui n'est pas un multiple du nombre de phases NP et le nombre d'encoches NE est un nombre impair et un multiple du nombre de phases NP - certaines des encoches du stator sont vides et ne comportent pas de bobinages statoriques - le nombre d'encoches vides NEV est un multiple du nombre de phases NP - le nombre de phases NP est égal à 3 - le nombre d'aimants NA est égal à 4 - le nombre d'encoches NE est égal à 21 - le nombre d'encoches vides NEV est égal à 9 - la section d'ouverture de chaque encoche vide est égale à la section d'ouverture de chaque encoche remplie d'un bobinage statorique ; - chaque aimant s'détend angulairement sur un angle égal à 360 divisés par le nombre de pôles NA et diminué d'un angle sensiblement égal à 180 divisé par le plus petit multiple commun du nombre de phases NP et du nombre de pôles NA ; et - le moteur est alimenté par un onduleur délivrant des courants de forme rectangulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique en section par un plan perpendiculaire à l'axe du rotor d'un premier exemple de réalisation d'un moteur électrique triphasé réalisé conformément aux enseignements de l'invention ; - la figure 2 est un schéma illustrant le circuit d'alimentation et de commutation électronique du moteur triphasé illustré sur la figure 1 ; - la figure 3 est un diagramme illustrant notamment la valeur du couple du moteur et des courants d'alimentation de chacune des phases - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 1 illustrant un mode de réalisation préféré d'un moteur électrique conforme aux enseignements de l'invention - la figure 5 est un schéma développé illustrant les bobinages statoriques du moteur illustré sur la figure 4. Le moteur M schématisé sur la figure 1 est pour l'essentiel constitué par un stator S qui est par exemple formé de tôles découpées et empilées qui délimitent des encoches statoriques Ei. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le stator S comporte 21 encoches El à E21 qui sont réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe X-X commun au stator S et au rotor R du moteur M. Chacune des 21 encoches Ei présente une section d'ouverture O en direction de l'entrefer (voir l'encoche El) identique, de même la profondeur radiale PR (voir l'encoche E3) est identique pour toutes les encoches Ei. Le rotor R est un rotor à aimants permanents Ai en forme de tuiles aimantées radialement qui, dans le cas d'un moteur à 4 pôles illustré sur la figure 1, sont au nombre de 4 aimants Al à A4. Le moteur illustré sur la figure 1 est un moteur triphasé, c'est-à-dire que le nombre de phases NP d'alimentation des bobinages statoriques contenus dans certaines des encoches Ei, est égal à 3. On a illustré de manière conventionnelle sur la figure 1 les bobinages associés à chacune des trois phases (phase 1, phase 2 et phase 3) contenus dans certaines des encoches Ei. Par exemple, des bobinages associés à la phase 2 sont contenus dans les encoches E4, E9, E15 et E20. Par contre, conformément à un aspect de l'invention, les encoches E3, E5, E7, E10, E12, E14, E17, E19 et E21 sont dépourvues de tout bobinage statorique. Le nombre total d'encoches NE est égal à 21 et le nombre d'encoches vides NEV est donc égal à 9. Sur le circuit d'alimentation illustré sur la figure 2, on reconnaît un dispositif onduleur 30 qui transforme le courant d'alimentation continu provenant d'une source 32 en trois courants I1, I2 et 13 qui sont des courants de forme rectangulaire dont chacun alimente une phase phl, ph2 et ph3 des bobinages du stator S du moteur M. Enfin, le circuit comporte un module électronique de commande 34 qui agit sur l'onduleur de tension 30 de maniére à contrôler l'amplitude des courants dans le moteur. Grâce à ce type d'alimentation, et dans le cas d'une machine triphasée, chaque phase du moteur est alimentée par un courant constant pendant 120 électriques, comme cela est illustré sur la figure 3, et il se produit une commutation du courant délivré par l'onduleur, d'une phase à l'autre, tous les 60 électriques. Pour réaliser le pilotage du moteur, il suffit donc de connaître la position du rotor R seulement aux instants de commutation du courant, c'est-à-dire six fois par période électrique. Ce principe retenu dans le cadre de l'invention permet donc d'utiliser un capteur de position du rotor particulièrement simple et peu coûteux, qui est par exemple constitué de trois détecteurs, tels que des sondes de Hall ou des phototransistors, qui fonctionnent en tout ou rien. Comme on peut le voir sur la figure 2, le couple résultant CR délivré par le moteur, qui résulte de la juxtaposition des six courbes de couples délivrés chacun pour un groupement alimenté de deux phases, n'est constant que si ces couples sont de forme trapézoldale et présentent un plateau à couple constant d'une largeur au moins égale à 60 électriques. Conformément aux enseignements de l'invention, le couple de détente, qui résulte de l'interaction entre les aimants et l'encochage de l'induit, est minimisé grâce à la caractéristique selon laquelle le quotient du nombre d'encoches NE par le nombre de phases NP et par le nombre d'aimants NA, (c'est-à-dire par le nombre de pôles du moteur) est un nombre fractionnaire NF. En effet les variations de réluctance dues à la présence des encoches sont moins marquées car la périodicité des encoches n'est plus un multiple de la périodicité des aimants. De plus, bien que cette solution ne permette pas d'annuler complètement le couple de détente, comme c'est le cas avec une conception faisant appel à des encoches inclinées, l'ondulation résiduelle du couple est rejetée à des fréquences relativement élevées sans qu'il soit nécessaire d'augmenter le nombre d'encoches NE de manière importante et tout en conservant des encoches droites. Pour obtenir un plateau à couple constant de largeur suffisante, l'invention propose de concentrer le bobinage dans certaines encoches en n'utilisant q'une partie des encoches disponibles. Ainsi, la solution illustrée sur la figure 1, fait appel à un rotor comportant quatre aimants et à un stator à 21 encoches, soit NF = 1,75. Comme cela a été décrit précédemment, seules 12 encoches sont utilisées pour loger les bobinages et le nombre d'encoches vides NEV est donc égal à 9. A partir de mesures réalisées sur un moteur d'essai conforme aux enseignements de l'invention, ou à partir d'un modèle basé sur le calcul du champ magnétique dans le moteur, on constate que les courbes de couple ont une forme trapézoïdale satisfaisante et présentent un chevauchement suffisant pour éviter les creux de couple lors d'une transition de phase à l'autre. De plus, on peut également observer que le couple de détente est de faible amplitude, notamment inférieur à 1% du couple nominal du moteur, et son analyse harmonique montre que la fréquence de son fondamental est élevée car elle est égale à 84 fois la fréquence de rotation de la machine, 84 étant le plus petit multiple commun du nombre d'encoches NE = 21 et du nombre de pôles NA - 4. D'une manière plus générale, pour des moteurs triphasés destinés à satisfaire l'application envisagée et selon le principe proposé, il faut de préférence choisir un nombre de pôles NA qui ne soit pas un multiple de trois et un nombre d'encoches NE qui soit un multiple de trois et un nombre impair. Les machines à deux pôles posent des problèmes de réalisation du fait de la largeur angulaire de chaque pôle et les machines à huit pôles ne satisfont pas au critère d'un nombre réduit d'encoches NE, les moteurs à quatre pôles apparaissant ainsi les plus aptes à répondre aux problèmes posés. La machine à 4 pôles, à 21 encoches statoriques et à 9 encoches vides apparaît alors comme un bon compromis entre les performances du moteur et ses contraintes de réalisation. On a illustré sur la figure 4 une variante de réalisation du moteur. Il est en effet possible d'augmenter la section des encoches contenant des conducteurs de bobinage statorique au détriment des encoches vides. I1 est important de remarquer que, pour conserver un couple de détente de faible valeur, les encoches vides ne doivent pas être supprimées et qu'en outre il faut conserver - les mêmes sections d'ouverture o pour toutes les encoches au niveau de l'entrefer entre le stator et les aimants du rotor R ; et - des trajets de circulation du flux dans le circuit magnétique de l'induit qui sont comparables à ceux existant dans le moteur à encoches régulières illustré sur la figure 1. Cette contrainte impose en particulier de ne pas modifier la profondeur radiale PR des encoches vides. La possibilité de changer la forme des encoches peut être mise à profit de deux manières. Elle peut permettre d'augmenter la section des encoches, ce qui fournit un accroissement du couple délivré par le moteur. Cet accroissement du couple est, pour un même diamètre d'alésage et pour un même produit égal à la charge linéique multipliée par la densité de courant (ctest-à-dire pour un même échauffement), égal à la racine carrée de l'accroissement de la section et peut être de l'ordre de 10 %. Elle peut également permettre de réduire le diamètre extérieur du moteur pour un même diamètre d'alésage et une même section de cuivre de bobinage. Cette réduction peut être évaluée sensiblement à 10 %, pour un même échauffement. Sur la figure 5, qui illustre le schéma du bobinage, on peut voir que ce bobinage est réalisé au moyen de 6 bobines identiques au pas de 5 encoches. De plus, et selon une autre caractéristique de l'invention, il est également possible de réduire l'amplitude du couple de détente en réduisant la largeur des aimants, c'est-à-dire l'angle sur lequel ils s'étendent, d'un angle correspondant sensiblement égal à 180' divisé par le plus petit multiple commun du nombre de phases NP et du nombre de pôles NA, ceci n'affectant que très faiblement la largeur du plateau de chacune des courbes de couple illustrées sur la figure 3. REVENDICATIONS 1. Moteur synchrone (M) à aimants permanents (Ai) et à commutation électronique du type comprenant un stator (S) dans lequel sont formées des encoches (Ei) réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe (X-X) du stator (S) qui reçoivent des bobinages statoriques et un rotor (R) comportant des aimants permanents (Ai), caractérisé en ce que le quotient du nombre d'encoches (NE) divisé par le nombre d'aimants (NA) et par le nombre de phases (NP) du courant d'alimentation du moteur (M) est un nombre fractionnaire (NF). 2. Moteur synchrone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'aimants (NA) est un nombre pair qui n'est pas un multiple du nombre de phases (NP) et en ce que le nombre d'encoches (NE) est un nombre impair et un multiple du nombre de phases (NP). 3. Moteur synchrone selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que certaines des encoches (Ei) sont vides et ne comportent pas de bobinages statoriques. 4. Moteur synchrone selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre d'encoches vides (NEV) est un multiple du nombre de phases (NP). 5. Moteur synchrone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de phases (NP) est égal à 3. 6. Moteur synchrone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre d'aimants (NA) est égal à 4. 7. Moteur synchrone selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le nombre d'encoches (NE) est égal à 21. 8. Moteur synchrone selon la revendication 7 prise en combinaison avec l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le nombre d'encoches vides (NEV) est égal à 9. 9. Moteur synchrone selon l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 9, caractérisé en ce que la section d'ouverture (O) de chaque encoche vide est égale à la section d'ouverture de chaque encoche remplie d'un bobinage statorique. 10. Moteur synchrone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque aimant (Ai) s'étend angulairement sur un angle égal à 360 divisés par le nombre d'aimants (NA) et diminué d'un angle sensiblement égal à 180 divisé par le plus petit multiple commun du nombre de phases NP et du nombre de pôles NA. il. Moteur synchrone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est alimenté par un onduleur délivrant des courants de forme rectangulaire.