Brevet FR2728741A1 — publié le 19960628

La présente invention concerne un dispositif de type moteur à courant continu à stator bobiné, éventuellement sans balai ni collecteur, générant simultanément avec la puissance mécanique les ordres électriques nécessaires à sa commutation et à sa régulation (génération d'un signal tachymétrique). Les types de moteurs électriques connus, destinés aux asservissements de grandeurs physiques: vitesse, position, couple, nécessitent pour contrôler le paramètre adéquat l'adjonction d'organes annexes d'asservissement tels que: dynamo tachymétrique, roues phoniques, codeurs, selsyns, etc... On peut actuellement distinguer sur le marché trois types principaux de moteurs électriques destinés aux asservissements, ce sont: les moteurs à courant à champ axial ou à champ radial, les moteurs alternatifs, les moteurs dits pas à pas. Dans leur grande majorité les moteurs à courant continu sont de structure classique, équipés d'un collecteur et de balais et ceux dits "brushless", sans balai, semblent conçus dans l'optique d'un asservissement numérique (adjonction interne ou externe d'éléments à effet hall, de codeurs de position etc...) l'ensemble associé à une électronique complexe. Les moteurs alternatifs polyphasés imposent eux aussi un accompagnement électronique compliqué à partir du secteur redressé. La reconstitution d'un réseau à fréquence et tension variables est nécessaire lequel s'accommode mal, si une bonne précision est recherchée, des moteurs de construction courante. Les moteurs pas à pas procèdent par quantité de mouvement et, par construction délivrent un mouvement d'amplitude minimale qui ne peut être réduit. Ce mouvement est un choc ou une succession de chocs identiques qui génèrent dans les mécanismes entraînés des vibrations souvent néfastes à la précision et à la durée de vie des matériels. Le dispositif selon l'invention permet de remédier aux inconvénients de l'un ou l'autre de ces types de machines tout en préservant les qualités de chacun et, en particulier en associant la simplicité de construction des moteurs à courant alternatif à la souplesse de contrôle des moteurs à courant continu en gardant la régularité de couple dans toute l'étendue de la plage de vitesse. A cet effet il convient de remarquer que le handicap essentiel interdisant le développement industriel de la dynamo de POIRSON est dû pour une grande part à la structure unipolaire de cette machine interdisant la mise en série des conducteurs l'équipant. L'invention présente ne propose rien d'autre qu'une sectorisation de cette machine pour la rendre compatible avec une structure bi ou mieux multipolaire et d'échapper ainsi à l'impossibilité d'associer en série les conducteurs la constituant. Considérons, comme représenté figure 1, indice A et B, un anneau (1). en matériau magnétique, fixé sur un socle (2). Dans l'axe de l'anneau (1) et en butée dans le socle (2) 2 2728741 introduisons un arbre (3) dont la seule liberté est de pouvoir tourner sur lui-même. Perpendiculairement à cet arbre (3) et à une distance suffisante de l'anneau, fixons un barreau magnétique de longueur égale au diamètre extérieur de l'anneau (1). Équipons ce barreau (4), en ses extrémités et face à l'anneau (1) de deux aimants (5) et (6) de signes opposés. Le champ des aimants, par l'entrefer ainsi constitué se referme par la masse magnétique de l'anneau (1). Cet entrefer étant de longueur constante quelle que soit la position de l'arbre (3), l'ensemble mobile en rotation constitué de l'arbre (3) du barreau (4) des pôles aimantés (5) et (6) n'a aucune position préférentielle de repos au dessus de l'anneau (1). Si dans l'entrefer sur l'anneau (1) nous collons un conducteur (7) électrique, isolé, selon un diamètre, avec toutefois un contournement dans l'évidement interne de l'anneau (1) pour éviter l'arbre (3) et que nous injections un courant continu dans le conducteur (7) nous interdisons à l'ensemble mobile le repos au dessus de ce conducteur. Si nous poursuivons le câblage d'une face de l'anneau (1) en faisant cheminer le conducteur (7) à l'extérieur de l'anneau (1) afin de le déposer sur un second diamètre voisin du précédent et juxtaposé à lui, en poursuivant le bobinage entier d'une face de l'anneau (1), nous aurons sur une demi-face de l'anneau (1) des conducteurs "entrant" et, vue de l'arbre, sur l'autre demi-face de l'anneau, des conducteurs "sortant". En injectant un courant continu dans le conducteur (7) nous constatons que pour l'équipage mobile constitué par l'arbre (3) le barreau (4), les pôles aimantés (5) et (6) il ne subsiste sur la trajectoire circulaire possible qu'un seul point de repos. Cette position est pratiquement celle occupée en vis à vis par le premier conducteur déposé sur l'anneau magnétique et qui. lorsqu'il était seul et siège d'un courant continu, chassait le barreau porteur d'aimants. Avec l'ensemble des conducteurs sous courant continu l'effet semble opposé, en réalité les pôles magnétiques se positionnent pour arroser de leur flux autant de conducteurs "entrant" que de conducteurs "sortant", subissant ainsi de leur part des forces de même intensité mais de signes opposés, forces auxquelles ils ne peuvent échapper sans que l'une des forces deviennent prépondérante par rapport à l'autre. Pour que la machine ainsi réalisée puisse assurer une rotation complète, il est nécessaire que tout au long de son trajet chaque pôle ne survole que des conducteurs déposés dans la même direction lorsqu'ils sont activés par un courant. Pour obtenir ce résultat il est nécessaire d'utiliser au moins trois bobinages identiques, superposés et décalés l'un par rapport à l'autre de façon telle qu'un observateur puisse voir en tous points des conducteurs "entrant" par exemple, ceci implique qu'il pourra aussi choisir de ne voir que des conducteurs "sortant". Dans le cas d'un moteur bipolaire par exemple l'origine des circuits en décalage de cent vingt 3 2728741 degrés avec recouvrement d'un circuit à l'autre de conducteurs déposés de même sens sur une plage de soixante degrés peut être réalisée. Si nous appelons nappe un ensemble constitué d'un nombre égal de conducteurs "entrant" et de conducteurs "sortant" réalisé à partir d'un conducteur unique, rien ne nous empêche de le réaliser sur un secteur restreint de l'anneau magnétique et d'y juxtaposer d'autres nappes identiques pour couvrir la surface de l'anneau, cela suppose que nous avons réalisé des nappes de surface égale et que nous multiplions par un même chiffre le nombre des pôles. Un tel type de bobinage peut être appliqué à toutes les structures connues de moteurs électriques qu'elles soient à champ radial ou axial avec toutefois une modification importante, ici ce sont les stators et non les rotors qui portent les bobinages délivrant la puissance des moteurs, et, le fait que les rotors portent les pièces polaires donne la possibilité de construire des moteurs à courant continu sans balai, sans collecteur, au prix d'une commutation externe de la partie proprement moteur mais, nous le verrons. sous ses ordres. Toutefois une version simplifiée à bagues et balais permet une utilisation du moteur avec un asservissement conventionnel de moteur à courant continu sans aucun ajout externe. Dans cet optique il est possible de réaliser un moteur de type universel. A remarquer également la possibilité de bobiner un moteur à partir de nappes superposées mais rigoureusement inversées l'une par rapport à l'autre, il suffit dans ce cas de deux couches de circuit au lieu de trois. mais aux points de commutation cette dernière impose de superposer deux circuits annexes de commutation dont les nappes peuvent être étroites, ce bobinage peut être intéressant pour des moteurs à faible nombre de pôle ou pour des moteurs linéaires. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 2 symbolise le développé d'un bobinage de moteur rotatif à deux paires de pôles. Pour faciliter la compréhension, chaque circuit est représenté à partir de son décalage d'origine, un circuit par ligne. Si l'on considère l'image du haut de feuille de la figure 2/A la flèche et le trait plein montant représente le premier conducteur. L'entrée du circuit qui continue en trait plein pour venir en pointillé à droite du conducteur d'entrée et repartir pour décrire une seconde boucle. Le bobinage est à constituer ainsi jusqu'à ce que la nappe soit recouverte. En fin de nappe le conducteur est dirigé par un point de rebroussement (1) pour réaliser le bobinage de la seconde nappe de circuit. Une telle représentation par les seuls signaux carrés peut également être interprétée comme l'image des forces contre électromotrices délivrées par chacun des circuits pour un sens donné de rotation du moteur. Dans le cas choisi d'un moteur deux paires de pôles, chaque nappe couvre cent quatre vingt degrés, deux nappes sont nécessaires pour constituer un circuit. Les entrées des trois 4 2728741 circuits pourront par exemple être décalées l'une de l'autre de soixante degrés avec des recouvrements de circuits de trente degrés mais, et cela semble évident dans une telle structure, les secteurs de recouvrement des circuits entre eux doivent être de surface supérieure ou au pire égale à la surface des pôles. Les trois lignes suivantes de la figure 2/B symbolisent l'espace ou plutôt le lieu o les commutations doivent être effectuées afin qu'un pôle donné ne survole que des conducteurs activés de même direction. Et ceci, au moment o la force électromotrice du circuit à déconnecter est égale à la force électromotrice du circuit à connecter avec bien sûr la même polarité. La commutation de la source de puissance obéit pour un sens de rotation à une permutation circulaire résultant de la lecture des forces électromotrices développées par deux circuits simultanément. L'ordre de cette permutation est donné en début de chacune des trois lignes de la figure 2/B qu'il faut lire ainsi: UN-DEUX signifie coupure du courant dans UN. établissement du courant dans DEUX. DEUX-TROIS signifie coupure dans DEUX. établissement du courant dans TROIS etc... Les trois dernières lignes de la figure 2/C se lisent de même manière. Il est à remarquer que les coïncidences qu'elles mentionnent résultent d'une permutation circulaire inverse de la précédente. Son application a pour effet de faire tourner le moteur en sens inverse, sans changer les polarités de l'alimentation de puissance du moteur. Il y a au moins deux autres moyens pour générer les signaux de la commutation pilotant l'activation des circuits moteur en dehors de la comparaison des phases et amplitudes des forces contre électromotrices: un système de deux bagues concentriques sur support isolant, l'une continue, amenant l'alimentation que prélève un balai en contact permanent avec un autre balai circulant sur la seconde bague laquelle est interrompue en tronçons dont le nombre est égal au nombre de pôles multiplié par trois dans le cas des bobinages identiques, superposés et décalés. - un système à bobinage dit "de lecture" très étroit disposé en superposition aux points de commutation des circuits, donnant des signaux identiques à ceux représentés sur les figures 2/B et 2/C qui peuvent être exploités par un compteur-décompteur du commerce et piloter un circuit de puissance. Cette dernière solution a l'avantage de ne travailler qu'en tension. le fil constituant le bobinage peut être fin donc répété plusieurs fois au même endroit, toutes possibilités qui facilitent la précision, surtout aux vitesses très basses de rotation des moteurs. 2728741 I est bien évident que les organes de commutation habituels peuvent être utilisés (les systèmes à effet Hall par exemple), cette invention ambitionne d'abord de les éviter. La figure 3/A représente une vue de face d'un anneau magnétique avec le cheminement d'un conducteur (1) entrant et poursuivant son cheminement en empruntant le trajet des quatre nappes constituant le circuit (1), de ce moteur à quatre paires de pôles. Ce conducteur revient à son point de départ sur la face de l'anneau en le dépassant légèrement si nous déposons les conducteurs dans le sens trigonométrique, pour décrire un second diamètre de l'anneau, identique et très voisin du premier. En continuant ainsi le dépôt du conducteur la face de l'anneau sera entièrement recouverte pour une moitié, de conducteurs "entrant", et "sortant" pour la seconde moitié. Les entrées de conducteurs des deux autres circuits, identiques au premier quant à leur réalisation mais décalés et superposés comme explicité figure deux sont repérées (2) pour le second et (3) pour le troisième circuit. L'ombre des pôles sur l'anneau est représentée avec notation Nord et Sud alternées, aux points de commutation du circuit (1) au circuit (2) pour un sens de rotation imposé. La figure 3/B représente la vue en coupe d'un moteur à champ axial à stator multiples (1) et rotors (3) empilés à distance correcte sur un arbre (4) auquel ces rotors (3) sont liés rigidement. Ces rotors (3) sont constitués d'un matériau non magnétique dans lequel les aimants sont encastrés de manière à présenter un champ perpendiculaire au plan des rotors. En se référant à la figure 3/A on peut imaginer selon la coupe notée A de cette figure l'espace occupé par une moitié de stator (1) de la figure 3/B, supportant les trois bobinages (2) confondus ici en un seul pour ne pas charger le dessin. Cette structure inhabituelle en moteurs conventionnels présente l'avantage d'utiliser. pour engendrer la fonction moteur, les deux pôles des aimants, le stator (1) central utilisé ainsi pouvant être équipé d'un ensemble de circuits sur l'une et l'autre de ses faces. De même, il est possible de concevoir et réaliser des moteurs auto excités, les rotors n'étant constitués que de pôles en matériau magnétique doux, isolés électriquement entre eux dans le cas des moteurs à champ axial, ou taillés dans le matériau magnétique constituant le rotor, tôles ou ferrites dans le cas des moteurs à champ radial. Cette réalisation est particulièrement intéressante si l'on a à réaliser des moteurs sans couple d'encoche ou devant atteindre de grandes vitesses de rotation. 6 -2728741 REVENDICATIONS 1 - Moteur à courant continu, éventuellement sans balai et collecteur dont le rotor porte les pièces polaires et le stator les bobinages, caractérisé en ce que les circuits (2) composant le bobinage sont au moins au nombre de trois, que s'ils sont au nombre de trois, ils sont identiques en tous points de leur géométrie, ils sont superposés l'un à l'autre et fixés au stator (1) de manière rigide. L'origine du second circuit est décalée par rapport à l'origine du premier circuit de même que l'origine du troisième circuit par rapport à l'origine du second circuit. L'angle de décalage d'un circuit par rapport au circuit le précédent est une fonction du nombre de paires de pôles que porte le rotor (3). Chaque circuit est composé d'au moins une nappe de conducteurs, chaque nappe est composée d'autant de conducteurs "entrant" que de conducteurs "sortant". Le décalage des circuits entre eux est tel que lorsqu'ils sont activés par un courant par permutation circulaire un pôle quelconque du rotor ne survole que des conducteurs de même direction au cours d'une rotation de trois cent soixante degrés. Sous un pôle donné, choisir de ne survoler, lorsqu'ils sont activés par un courant, que des conducteurs "entrant" et non des conducteurs "sortant" revient à choisir un sens de rotation de l'arbre du moteur. Cette configuration de bobinage est applicable aux circuits stators des moteurs à champ axial aussi bien qu'aux moteurs à champ radial. 2 - Moteur selon la revendication i caractérisé en ce que le bobinage déposé sur le stator peut être réalisé avec deux circuits principaux identiques mais superposés de manière telle que les conducteurs "entrant" de l'un soient superposés aux conducteurs "sortant" de l'autre. Une telle configuration exige d'ajouter aux deux circuits principaux, deux circuits annexes de commutation. Ce mode de bobinage peut être préféré pour la construction de, moteurs à faible nombre de pôles, ou pour équiper des moteurs linéaires. 3 - Moteur selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les ordres de commutation des circuits peuvent être élaborés à partir de la lecture et du traitement de la force contre électromotrice de chacun des circuits. 7 2728741 4 - Moteur selon les revendications précédentes caractérisé en ce que un conducteur dit "de lecture" peut être déposé en superposition des circuits moteurs aux points ou une commutation doit être effectuée pour assurer une permanence de la rotation dans le sens recherché. L'imbrication d'un tel conducteur dans le bobinage du stator simplifie grandement le traitement des signaux d'ordre de commutation. - Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rotor d'un moteur à champ axial peut être répété sur un même arbre. La répétition d'un rotor sur un arbre unique entraîne la répétition cohérente des stators, tout stator imbriqué entre deux rotors pouvant porter un groupe de circuits sur chacune de ses faces. 6 - Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que un système de 2 bagues concentriques sur support isolant, l'une continue, amenant l'alimentation que prélève un balai en contact permanent avec un autre balai circulant sur la seconde bague, laquelle est interrompue en tronçons dont le nombre est égal au nombre de pôles multiplié par trois dans le cas des bobinages identiques, superposés et décalés.