Brevet FR2840124A1 — publié le 20031128

L'invention concerne un moteur linéaire à au moins deux phases à commutation de flux comprenant un tube statorique de guidage présentant des pôles magnétiques disposés le long du tube statorique, un équipage mobile comprenant les phases comprenant au moins une bobine d'induction, au moins un aimant permanent et au moins un induit, chaque phase définissant un pôle magnétique mobile venant successivement en face des pôles magnétiques statoriques lors du déplacement de l'équipage mobile et des moyens de commutation du sens du courant dans les bobines. On connaît de la demande PCT WO/0067364 un moteur comprenant un tube statorique constitué d'un profilé de guidage amagnétique en U de section rectangulaire, par exemple en aluminium. Le tube statorique peut également être en matériau synthétique, car il ne sert que de support aux pôles statoriques constitués de plaquettes rectangulaires en matériau ferromagnétique, par exemple en acier doux. Ces plaquettes sont retenues par engagement serré dans des paires de rainures opposées formées dans le profilé de manière à être fixées contre les faces internes des deux ailes opposées parallèles du profilé en U. Les plaquettes sont positionnées par paire, de telle sorte que les deux plaquettes d'une paire sont situées l'une en face de l'autre, symétriquement par rapport à l'axe du profilé. Les paires successives de plaquettes sont équidistantes et espacées l'une de l'autre par une distance définissant le pas du moteur. Dans sa paroi transversale, le tube présente deux rainures supplémentaires destinées au guidage d'un équipage mobile. L'équipage mobile comprend deux ou trois phases, chacune de ces phases étant constituée, en principe, d'une bobine dont l'axe est perpendiculaire au plan des pôles statoriques, cette bobine entourant un noyau en matériau magnétique constituant l'induit. De chaque côté de la bobine, selon l'axe du tube statorique, sont disposés deux aimants permanents aimantés en sens opposés parallèlement à l'axe de la bobine. Aux deux extrémités de la bobine, sont fixées deux flasques rectangulaires en matériau amagnétique coopérant à la fixation des aimants permanents. Le noyau et les aimants permanents présentent sensiblement la même section carrée vue selon l'axe du tube statorique et ils sont alignés selon cet axe. Un équipage mobile biphasé est constitué de deux phases telles que celle décrite précédemment juxtaposées et un équipage mobile triphasé est constitué de trois phases telles que celle décrite précédemment juxtaposées. Un tel moteur présente une structure relativement compliquée ayant une incidence sur son coût de fabrication et de faibles performances par rapport à son encombrement. Le but de l'invention est de réaliser un moteur permettant de pallier ces inconvénients. En particulier, l'invention se propose de réaliser un moteur ayant une structure simple permettant un montage aisé et des pièces polaires présentant de plus grandes surfaces à encombrement égal permettant l'amélioration des performances. Le moteur linéaire selon l'invention est caractérisé en ce que chaque phase présente deux bobines d'induction bobinées autour d'un axe parallèle à l'axe du tube statorique et montées en série. Selon un mode de réalisation, l'induit relatif à une phase est disposé entre les deux bobines de cette phase et en ce que les aimants permanents sont disposés de part et d'autre de l'ensemble constitué par les deux bobines appartenant à cette phase. Selon un mode de réalisation, l'équipage mobile ne présente qu'un seul aimant entre deux ensembles de bobines appartenant à deux phases différentes. Selon un mode de réalisation, l'aimant permanent relatif à une phase est présent entre deux bobines de cette phase et en ce que les induits sont présents de part et d'autre de l'ensemble constitué des deux bobines appartenant à cette phase. Selon des modes de réalisation préférés, chaque ensemble constituant une phase a une forme cylindrique. Chaque phase peut comprendre un cylindre en matériau magnétique sur lequel sont montés des aimants, des induits et des bobines de forme annulaire et de même diamètre intérieur correspondant au diamètre extérieur du cylindre. De manière avantageuse, les aimants, les induits et les bobines ont le même diamètre extérieur. Selon des modes de réalisation, les sous-ensembles constituant chacune des phases sont articulés entre eux. Le tube statorique peut avoir une forme circulaire et être fendu parallèlement à son axe. Les pôles magnétiques statoriques peuvent consister en des portions annulaires. Selon des modes de réalisation, le moteur comprend deux phases décalées d'un quart ou de trois quarts de pas relativement au pas statorique défini par la distance entre les positions de deux pièces polaires statoriques consécutives. Selon des modes de réalisation, le moteur comprend trois phases décalées d'un tiers ou de deux tiers de pas relativement au pas statorique défini par la distance entre les positions de deux pièces polaires statoriques consécutives. L'équipage mobile peut être alimenté en courant continu et les moyens de commutation du courant peuvent être montés sur l'équipage mobile. Le dessin annexé représente à titre d'exemple quelques modes d'exécution du moteur selon l'invention. La figure 1 est une vue en perspective du tube statorique de guidage selon l'invention. La figure 2 est une vue en perspective d'une phase de l'équipage mobile du moteur selon un premier mode de réalisation. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale du moteur selon l'invention, une seule phase étant représentée. Les figures 4A à 4D illustrent le principe de commutation du flux dans une phase. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale du moteur selon un deuxième mode de réalisation. La figure 6 est une vue en perspective coupée d'un moteur triphasé selon un troisième mode de réalisation. Les flèches représentées dans les aimants schématisent la direction et le sens de leur vecteur aimantation. On se réfère aux figures 1 à 3. Le moteur représenté comprend un tube statorique 1 constitué d'un profilé de guidage amagnétique de section circulaire et, ici, fendu sur toute sa longueur. Le tube 1 est réalisé par exemple en aluminium. Il pourrait également être en matériau synthétique, car il ne sert que de support aux pôles statoriques constitués d'anneaux 2 fendus parallèlement à une de leurs génératrices. Ces portions annulaires 2 sont réalisées en matériau ferromagnétique, par exemple en acier doux. Elles sont, par exemple, collées à l'intérieur du tube statorique 1. Les portions annulaires 2 successives sont espacées l'une de l'autre d'une distance définissant le pas du moteur. Un équipage mobile 10 est guidé dans le tube statorique 1. Ce guidage est assuré d'une part, par des entretoises 3 pouvant être revêtues d'un matériau facilitant le glissement de l'équipage mobile 10 tel que du polytétrafluoroéthylène et disposées entre les portions annulaires 2 et, d'autre part, par les portions annulaires 2. Les diamètres intérieurs des portions annulaires 2 et des entretoises 3 sont sensiblement les mêmes si bien que le guidage de l'équipage mobile 10 dans le tube statorique 1 peut être assuré par des éléments roulant, d'une part, sur les portions annulaires 2 et sur les entretoises 3 et, d'autre part, sur l'équipage mobile 10. On peut, en particulier, envisager un système à recirculation de billes dans l'équipage mobile. Il est à noter que la fente sert à permettre la transmission du mouvement de l'équipage mobile vers un élément à entraîner. Ainsi, lorsque la transmission du mouvement de l'équipage mobile peut se faire par un élément se trouvant dans l'axe du mouvement une telle fente n'est plus nécessaire. L'équipage mobile 10 a une forme cylindrique. Son diamètre extérieur, légèrement inférieur au diamètre intérieur des portions annulaires 2 et des entretoises 3 lui permet de coulisser librement dans le tube statorique 1. L'équipage mobile 10 comprend deux ou trois phases, telles que la phase P1 représentée aux figures 2 et 3, chacune de ces phases étant constituée de deux bobines 11a et llb dont les axes sont parallèles à l'axe du tube statorique 1, ces bobines étant disposées de part et d'autre d'un noyau 12 en matériau magnétique constituant l'induit. Les bobines 11a et llb sont montées en série et sont bobinées en sens opposé. Ainsi, lorsque les bobines sont alimentées en courant électrique, leurs champs magnétiques se combinent dans le pôle magnétique constitué par l'induit 12. De part et d'autre des bobines lia et llb sont disposés deux aimants permanents de forme annulaire 13 et 14 aimantés radialement en sens opposés. Le noyau 12 et les aimants permanents 13 et 14 présentent sensiblement la même section rectangulaire. Une telle configuration cylindrique du moteur permet, dans un encombrement donné, d'augmenter l'aire des surfaces polaires en regard et, par conséquent, d'augmenter les performances du moteur. Un équipage mobile biphasé est constitué de deux phases telles que P1 juxtaposées et un équipage mobile triphasé est constitué de trois phases telles que Pl juxtaposées. Le jeu radial entre les aimants permanents 13 et 14 ou le noyau 12 et les pôles statoriques 2 définit un entrefer el. Les figures 4A à 4D illustrent de manière schématique le principe du moteur selon l'invention. A des fins de clarté, les portions annulaires statoriques 2 sont représentés moins longs qu'ils ne le sont en réalité. Dans la position représentée à la figure 4A, le noyau 12 est situé au niveau d'une portion annulaire statorique 2, les portions annulaires voisines étant situées à des distances telles que les aimants permanents 13 et 14 ne sont pas engagés dans les portions annulaires voisines . Les champs magnétiques des deux aimants permanents 13 et 14 ont tendance à se refermer à travers la portion annulaire statorique dans laquelle est engagé le noyau 12 et à travers ce noyau 12. Ces deux champs étant égaux et opposés, le flux magnétique dans le noyau 12 est nul. Si l'on déplace l'équipage mobile 10 vers la droite pour se trouver dans la position représentée à la figure 4B, on constate que dans cette position le champ magnétique principal dans le noyau 12 provient de l'aimant permanent 13 proche du pôle statorique 2. Ce champ magnétique traverse la bobine 11a dans un premier sens indiqué par les petites flèches recourbées. En continuant de déplacer l'équipage mobile 10 vers la droite, on parvient à la position représentée à la figure 4C, dans laquelle l'ensemble constitué par les deux bobines lia et llb est situé exactement à midistance entre deux pôles statoriques 2, l'aimant permanent 13 se trouvant engagé dans une portion annulaire statorique et l'aimant 14 engagé dans la portion annulaire statorique voisine. Dans cette position, les bobines 11a et llb sont traversées par un même champ magnétique en intensité et en sens. Les bobines étant bobinées en sens inverse et montées en série, le flux global traversant l'ensemble des deux bobines est de nouveau nul. En continuant de déplacer l'équipage mobile vers la droite on arrive dans une position représentée à la figure 4D, qui est la position symétrique de la position représentée à la figure 4B. Dans cette position le champ magnétique principal provient cette fois-ci de l'aimant 14 qui circule selon la direction indiquée par les petites flèches courbes. Ce champ traverse la bobine llb dans le même sens que représenté à la figure 4B. La bobine llb étant enroulée dans un sens opposé à la bobine 11a, le flux qui traverse la bobine llb est opposé au flux qui a traversé la bobine lia à la position 4B. Les variations de flux dans une bobine donnant naissance à une force électromotrice, le déplacement de l'équipage mobile 10 dans le tube statorique 1 permet donc d'obtenir une force électromotrice alternative. Pour obtenir un fonctionnement en moteur, on procède à l'inversion du courant électrique dans une bobine au moment où la force électromotrice induite s'annule et change de sens, c'est à dire au moment où le flux dans cette bobine est maximum ou minimum. Le champ de l'aimant 14 à la figure 4B et celui de l'aimant 13 à la figure 4D produit un flux indésirable dans le noyau 12 qui constitue une perte magnétique. La distance entre le pôle extérieur de l'aimant 14 à la figure 4B et la pièce polaire statoriques 2 par laquelle passe le champ magnétique principal est toutefois relativement grande, de telle sorte que la perte est très faible, contrairement à ce qui se passe dans la structure selon le brevet EP 0 667 991. Le fait d'utiliser des pièces polaires biseautées sur les arêtes en vis-à-vis permet de limiter encore les pertes magnétiques. La juxtaposition de deux ou trois équipages mobiles telle que représentée à la figure 2, permet de réaliser un moteur biphasé, respectivement triphasé. L'équipage mobile comprend des phases P1, P2 et P3 alimentées en courant électrique continu par des moyens qui seront décrits plus bas dans cette demande. Les ensembles constituant les phases Pl, P2 et P3 et comprenant les bobines 11a et llb sont respectivement décalés de 1/3 de pas et 2/3 de pas relativement au pas statorique défini par la distance entre deux pôles statoriques successifs. La distance entre deux ensembles de bobines voisins est donc égale à 4/3 de pas. Dans le cas d'un moteur biphasé, les ensembles constitués par les bobines 11a et llb seraient décalés respectivement de 1/ de pas relativement au pas statorique. Il est bien entendu que ces décalages sont donnés à un nombre entier de pas près, et qu'il est possible d'y ajouter ou soustraire un demi-pas, par simple inversion du courant électrique dans les bobines concernées. On obtient alors des équipages mobiles dont la distance entre deux ensembles de bobines consécutifs est égale à 5/6 de pas ou 7/6 de pas. Comme dans le brevet EP 0 667 991 chaque phase peut être équipée d'une paire de contacts frotteurs se déplaçant sur des pistes d'alimentation électrique imprimées en cuivre sur un support isolant monté dans le tube statorique 1, par exemple au niveau de sa fente. Ces pistes sont alimentées en courant électrique continu et la commutation peut être assurée par la forme en créneaux imbriqués des deux pistes, comme représenté et décrit dans le brevet EP 0 161 677. Il est également possible d'alimenter les bobines par des rails conducteurs rectilignes continus et d'assurer la commutation au moyen d'un dispositif de commutation monté dans chacune des phases de l'équipage mobile, comme décrit dans le brevet EP 0 667 991 et comme ceci est connu de l'état de l'art. Des circuits électroniques spécialisés permettent aisément une telle commande, à partir de l'état de capteurs à effet Hall directement montés sur l'équipage mobile, par exemple le circuit intégré MC33033de Motorola. La structure du tube statorique permet d'effectuer des courbes par cintrage du tube 1. Les jeux entre le diamètre intérieur des entretoises 3 et des portions annulaires 2 et le diamètre extérieur de l'équipage mobile doivent être adaptés afin de permettre la prise de courbes. Un deuxième mode de réalisation diffère du premier en ce que la position des aimants permanents et des induits est inversée. En effet, comme représenté à la figure 5, un aimant 16 ayant une forme annulaire et une aimantation radiale est intercalé entre les bobines 11a et llb d'une même phase. Les induits 17 et 18 sont disposés de part et d'autre de l'ensemble constitué des deux bobines 11a et llb. Dans cette configuration, les aimants permanents 16 sont aimantés dans le même sens. De plus, les bobines lia et llb appartenant à une même phase sont bobinées dans le même sens. A la figure 5, on remarque que la bobine 11a est dans une des portions annulaires 2. Elle est traversée, par conséquent, par un champ magnétique allant de la gauche vers la droite. Lorsqu' on déplace l'équipage mobile 10 vers la gauche, c'est maintenant la bobine llb qui est dans la portion annulaire 2 et elle est traversée par un champ magnétique allant de la droite vers la gauche. On en conclut donc qu'il faut que les bobines 11a et llb montées en série soient bobinées dans le même sens pour qu'il y ait une inversion du flux magnétique dans la phase entre les deux positions de l'équipage mobile 10 décrites précédemment. Cette architecture d'équipage mobile nécessite moins d'aimants que les autres modes de réalisation décrits précédemment. De plus, il permet d'utiliser des aimants ayant tous la même aimantation. On peut aussi envisager d'utiliser des aimants dont le sens d'aimantation est inversé d'une phase à une phase consécutive. Dans ce cas, il faut inverser le sens du courant d'alimentation des bobines entre ces phases consécutives. Les trois ensembles constituant les phases P1, P2 et P3 peuvent être montés sur un cylindre ferromagnétique commun ou être montés sur des cylindres ferromagnétiques séparés par des éléments 19 en matériau amagnétique. Ces éléments 19 peuvent par exemple consister en des rotules permettant l'articulation des phases entre elles afin d'améliorer la prise de courbe de l'équipage mobile. Une telle structure cylindrique est particulièrement intéressante en ce qui concerne la réalisation et le montage de l'équipage mobile. Chaque ensemble constituant une phase peut comprendre un cylindre 20 en matériau ferromagnétique autour duquel on vient glisser les aimants, les induits et les bobines. Pour ce faire, tous ces éléments ont une forme annulaire de section rectangulaire. Ces éléments peuvent être collés ou montés serrés sur le cylindre 20. Bien que les moteurs décrits comportent des équipages mobiles et des tubes statoriques à sections circulaires, on peut envisager pour ceux-ci des formes différentes et, en particulier, des équipages mobiles et des tubes statoriques à sections carrées. La figure 6 représente un moteur triphasé selon un troisième mode de réalisation. Ce moteur présente un stator comportant des pôles statoriques constitués par de simples éléments 2' rectangulaires plans en acier doux. L'équipage mobile 10', à la différence des modes de réalisation précédents, est constitué d'un parallélépipède sur lequel sont fixés des aimants 13', 14'et des noyaux en matériau magnétique 12' et autour duquel sont enroulées des bobines 11'a et 11'b. Il est à noter que l'adjectif mobile qualifiant l'équipage 10 dans toute la description précédente est à comprendre comme mobile par rapport au tube statorique 1 , le tube statorique 1 pouvant être mobile par rapport un autre référentiel tel que le référentiel terrestre et l'équipage 10 pouvant être fixe par rapport à ce référentiel. Revendications 1. Moteur linéaire à au moins deux phases (P1, P2, P3) à commutation de flux comprenant : un tube statorique de guidage (1 ; 1') présentant des pôles magnétiques (2 ; 2') disposés le long du tube statorique (1, 1'), un équipage mobile (10) comprenant les phases (Pl, P2, P3) comprenant au moins une bobine d'induction (lla, llb ; ll'a, ll'b), au moins un aimant permanent (13,14 ; 16 ; 13', 14') et au moins un induit (12 ; 17, 18 ; 12'), chaque phase définissant un pôle magnétique mobile venant successivement en face des pôles magnétiques statoriques (2 ; 2') lors du déplacement de l'équipage mobile (10), et des moyens de commutation du sens du courant dans les bobines (11a, llb ; ll'a, ll'b), caractérisé en ce que chaque phase (P1, P2, P3) présente deux bobines d'induction (lia, llb ; ll'a, ll'b) bobinées autour d'un axe parallèle à l'axe du tube statorique (1 ;1') et montées en série. 2. Moteur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'induit (12 ; 12') relatif à une phase (P1, P2, P3) est disposé entre les deux bobines (lia, llb ; 11'a, ll'b) de cette phase (Pl, P2, P3) et en ce que les aimants permanents (13,14 ; 13', 14') sont disposés de part et d'autre de l'ensemble constitué par les deux bobines (11a, llb ; 11'a, ll'b) appartenant à cette phase (P1, P2, P3). 3. Moteur linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'équipage mobile (10) ne présente qu'un seul aimant (13, 14 ; 13',14') entre deux ensembles de bobines (11a, llb ; 11'a, ll'b) appartenant à deux phases (P1, P2, P3) différentes. 4. Moteur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent (16) relatif à une phase (P1, P2, P3) est présent entre deux bobines (lia, llb) de cette phase (P1, P2, P3) et en ce que les induits (17, 18) sont présents de part et d'autre de l'ensemble constitué des deux bobines (lia, llb) appartenant à cette phase (P1, P2 , P3 ) . 5. Moteur linéaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ensemble constituant une phase (P1, P2, P3) a une forme cylindrique. 6. Moteur linéaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque phase (P1, P2, P3) comprend un cylindre (20) en matériau magnétique sur lequel sont montés des aimants, des induits et des bobines de forme annulaire et de même diamètre intérieur correspondant au diamètre extérieur du cylindre (20). 7. Moteur linéaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que les aimants, les induits et les bobines ont le même diamètre extérieur. 8. Moteur linéaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sous- ensembles constituant chacune des phases (P1, P2, P3) sont articulés entre eux. 9. Moteur linéaire selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le tube statorique (1) a une forme circulaire et est fendu parallèlement à son axe. 10. Moteur linéaire selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les pôles magnétiques statoriques sont des portions annulaires (2).