Brevet FR2835362A1 — publié le 20030801

L'invention a principalement pour objet un procédé d'amélioration des performances d'un moteur électrique synchrone à aimants permanents et à commutation de flux, comportant un équipage mobile comprenant au moins un induit, un bobinage d'induit et deux aimants permanents et un stator comprenant des pièces polaires. Les termes équipage mobile et stator sont utilisés ici pour la clarté de la description, mais il est évident qu'il s'agit seulement d'un mouvement relatif, l'équipage mobile pouvant être fixe et le stator mobile. L'invention concerne dès lors tout moteur électrique rotatif ou linéaire synchrone à aimants permanents et à commutation de flux, c'est-à-dire dont tous les aimants sont logés dans le même ensemble que le bobinage induit, dont le flux dans le bobinage induit et/ou dans les aimants permanents ne varie pas de manière symétrique autour de sa valeur moyenne, en générale nulle, au cours du déplacement de l'équipage mobile et présente donc des harmoniques pairs. L'asymétrie du flux dans un tel moteur est inhérente à sa structure ou, pour les moteurs linéaires, peut provenir également des effets de bord. Cette asymétrie a pour effet d'engendrer un effort de détente important, dont on montre que le premier harmonique est égal au nombre de phases, et également d'engendrer des harmoniques pairs dans la force électromotrice (f. e. m. ) induite. Rappelons que l'effort de détente est l'effort résultant de la seule présence des aimants permanents et du circuit magnétique. Au cours du mouvement dans une direction donnée, cet effort de détente est alternativement moteur ou résistant. Bien que nul en valeur moyenne, cet effort de détente, par sa pulsation, perturbe le bon fonctionnement du moteur en induisant des vibrations nuisibles et il tend à diminuer l'effort moteur minimal fourni par le moteur. Du fait de la dissymétrie des f. e. m. la structure présente, d'une part, des difficultés de pilotage pour une alimentation correcte des phases en courant, mais aussi une ondulation d'effort moteur importante qui s'ajoute à la pulsation de l'effort de détente. Des essais on ainsi montré que l'amplitude crête à crête de l'ondulation d'effort peut atteindre des valeurs équivalentes à la valeur moyenne de cet effort. Il s'ensuit que les structures ainsi constituées voient leurs performances limitées du fait qu'elles présentent, par exemple, un effort moteur minimum moitié de l'effort moyen et donc moitié de ce qui serait obtenu par une meilleure symétrie des variations de flux. Dans un moteur linéaire tel que décrit dans la demande de brevet EP 1 173 920, on pourrait pallier l'ondulation d'effort en doublant le nombre de moteurs et en séparant chaque moteur d'une distance égale à un demi-pas d'ondulation, de telle sorte qu'une position correspondant à un maximum d'effort sur l'un corresponde à un minimum pour l'autre. On obtient ainsi une compensation et donc un lissage de l'effort. Une telle méthode serait efficace mais coûteuse et difficilement applicable à un moteur rotatif. L'invention a pour but d'obtenir un flux symétrique par des mesures aussi simples que possible. L'invention consiste à séparer le moteur, à l'exception de l'induit et de sa bobine, en deux parties symétriques selon un plan, dit de fractionnement, perpendiculaire au plan de l'entrefer et à décaler d'un demi-pas les parties fractionnées des pièces polaires statoriques dans le sens du déplacement relatif de l'équipage mobile et à inverser la polarité des aimants permanents fractionnés par la séparation, de manière à rencontrer quatre aimants de polarités alternées lorsqu'on décrit un tour de bobine. Ceci a pour effet de filtrer l'effort de détente, lequel n'apparaît que pour l'harmonique 4 en biphasé et 6 en triphasé, et de filtrer les harmoniques pairs de la f. e. m. Avantageusement et dans la mesure des possibilités, on écarte l'une de l'autre les parties fractionnées des pièces polaires statoriques, afin d'éviter des flux de fuites directs entre les parties fractionnées, et on forme aux extrémités de l'induit des élargissements destinés à établir un pont magnétique entre les parties écartées. Dans le cas d'un encombrement extérieur fixé, cet écartement sera obtenu par enlèvement de matière ferromagnétique ou magnétique. L'invention a également pour objet un moteur linéaire amélioré selon le procédé défini plus haut. Le moteur, auquel est appliquée l'amélioration selon l'invention, est un moteur linéaire à au moins deux phases à commutation de flux comprenant un équipage mobile comprenant au moins deux bobines d'induction entourant chacune un induit magnétique définissant des pôles magnétiques mobiles, chaque bobine étant entourée par deux paires d'aimants permanents disposés à l'extérieur des bobines, symétriquement aux axes des bobines et symétriquement au plan contenant les axes des induits et aimantés selon un axe parallèle à l'axe de la bobine, la moitié de ces aimants étant polarisés dans un sens et l'autre moitié dans le sens opposé, un tube statorique de guidage présentant des pôles magnétiques constitués de deux rangées parallèles de pièces en matériau magnétique fixées dans un tube de guidage en matériau amagnétique sur au moins une paroi de ce tube de manière à venir successivement en face des pôles magnétiques mobiles lors du déplacement de l'équipage mobile, les pièces de l'une des rangées étant décalées d'un demi-pas statorique relativement aux pièces de l'autre, rangée, et des moyens de commutation du sens du courant dans les bobines. Un tel moteur est décrit dans la demande de brevet EP 1 173 920. Le moteur linéaire amélioré selon l'invention est caractérisé en ce que les aimants disposés symétriquement aux axes des bobines sont de même polarité. Les induits sont avantageusement munis d'épanouissements polaires s'étendant perpendiculairement au plan contenant les axes des induits. Avantageusement, dans un moteur bi-ou triphasé, deux phases consécutives de l'équipage mobile ont des aimants communs. Dans un moteur triphasé la distance séparant les axes de deux bobines voisines est avantageusement égale à 2/3 ou 5/6 ou 7/6 ou 4/3 du pas statorique. Le principe de l'invention appliqué à un moteur linéaire du type décrit dans l'art antérieur cité sera maintenant exposé plus en détail en relation au dessin annexé dans lequel : la figure 1 représente un moteur linéaire selon l'art antérieur, la figure 2 représente la division et le décalage des pièces polaires statoriques, la figure 3 représente schématiquement l'équipage mobile modifié, la figure 4 représente l'équipage mobile de la figure 3 dans une première position relative par rapport aux pièces statoriques, la figure 5 représente le même équipage mobile dans une seconde position, et la figure 6 représente schématiquement un moteur triphasé. La figure 1 correspond à la figure 2 du document EP 1 173 920. Une seule phase est représentée, mais un moteur comprendrait bien entendu deux ou trois phases. Ce moteur comprend un tube statorique 1 constitué d'un profilé de guidage amagnétique en U servant de support aux pôles statoriques constitués de plaquettes ou plots rectangulaires 2 et 2'en matériau ferromagnétique, par exemple en acier doux. Les plaquettes 2 et 2'sont positionnées par paires 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 1. Les paires de plaquettes successives 2 sont équidistantes et leurs positions sont espacées l'une de l'autre par une distance définissant le pas du moteur. Le tube 1 présente en outre deux rainures 5 et 6 pour le guidage de l'équipage mobile. Cet équipage mobile comprend deux ou trois phases, telle que la phase PI constituée, en principe, d'une bobine 7 dont l'axe est perpendiculaire au plan des pôles statoriques 2 et 2', cette bobine entourant un noyau 8 en matériau magnétique constituant l'induit. De chaque côté de la bobine 7, selon l'axe du tube statorique 1, sont disposés deux aimants permanents 9 et 10 aimantés en sens opposé parallèlement à l'axe de la bobine. Aux deux extrémités de la bobine 7 sont fixés deux flasques rectangulaires 11 et 12 en matériau amagnétique coopérant à la fixation des aimants permanents 9 et 10. L'application du procédé d'amélioration selon l'invention appliqué à ce moteur consiste à fractionner chaque aimant 9 et 10 en deux aimants, 9a, 9b et 10a, lOb, puis à écarter les aimants fractionnés d'une distance hl perpendiculaire à leurs directions d'aimantation et à la direction du mouvement et à interchanger les positions des aimants 9b et lOb (ou 9a et 10a), de telle sorte que les aimants de même polarité soient disposés symétriquement relativement à l'axe de l'induit 8 (figure 3). L'écartement des aimants fractionnés peut également être obtenu en supprimant de la matière aimantée sur une distance hl. Les plots statoriques 2,2'sont également fractionnés de manière à donner naissance à des plots 2a et 2b, respectivement 2'a et 2'b et les plots fractionnés 2a et 2b, respectivement 2'a et 2'b, sont écartés l'un de l'autre d'une distance h2 selon un plan de symétrie perpendiculaire à l'ensemble. Les plots sont décalés d'un demi-pas dans la direction du mouvement, comme représenté à la figure 2 pour les plots 2a et 2b. Comme on peut le voir sur le dessin, les distances hl et h2 ne sont pas nécessairement identiques, mais elles sont voisines. Ces distances sont déterminées au cas par cas, en fonction de la géométrie des plots statoriques et des aimants, pour limiter les fuites et optimiser la collecte de flux. Aux figures 10 et 11 du document EP 1 173 920, on trouve déjà un moteur biphasé comprenant deux paires d'aimants permanents disposés symétriquement à l'axe de l'induit et des plots statoriques divisés et décalés. Dans ce mode d'exécution, les aimants permanents de même polarité ne sont toutefois pas disposés symétriquement relativement à l'axe de l'induit et les plots statoriques ont une forme particulière, non rectangulaire alors que dans le moteur représenté ici aux figures 2 à 5 les plots statoriques sont simplement rectangulaires. Dans ce moteur l'induit 8 est en outre muni, à chacune de ses extrémités dans le cas de deux doubles rangées de plots statoriques, d'un épanouissement polaire constitué d'une plaque ferromagnétique 16 s'étendant perpendiculairement à l'axe de l'induit 8 et perpendiculairement au plan de fractionnement. Dans le cas d'un moteur bi-ou triphasé ce plan de fractionnement est le plan contenant les axes des induits 8. Cette disposition permet notamment de collecter au mieux le flux émis par les aimants de même polarité lorsqu'on est dans une position de conjonction telle que représentée à la figure 4 et à la figure 5. Dans la position représentée à la figure 4, le flux traversant l'induit 8 est le flux provenant des deux aimants 10. Le flux est intégralement collecté par deux des plots 2a et 2b puis, par chaque côté de l'épanouissement polaire 16, avant de pénétrer dans l'induit 8. A l'autre extrémité de l'induit le flux se referme de la même manière par deux des plots 2'a et 2'b et un épanouissement 16'. Mais, comme ceci est mentionné dans le document EP 1 173 920, la fermeture du flux sur le côté non représenté peut être également assurée par une plaque ferromagnétique disposée sur l'équipage mobile. La figure 5 représente l'équipage mobile après un déplacement d'un demi-pas statorique vers la droite par rapport à la position représentée à la figure 4. Cette fois c'est le flux des aimants 9a et 9b qui est intégralement collecté par deux des plots 2a et 2b. En raison de l'inversion de polarité entre les aimants 9 et 10, il y a bien inversion du flux dans la bobine 7. On constate que les aimants 9a et 9b sont totalement recouverts par deux des plots 2a et 2b, ce qui n'est pas le cas à la figure lia du document cité, où les plots ne peuvent recouvrir que très imparfaitement les aimants. La collecte du flux des aimants est donc très sensiblement améliorée. Les essais réalisés montrent une performance deux fois supérieure de la nouvelle structure relativement à celle de l'art antérieur. Les variations de flux sont parfaitement sinusoïdales et donc symétriques. L'ondulation de l'effort autour de sa valeur moyenne est inférieure à 20%. En pratique, un moteur complet comprendra deux ou trois phases. Un moteur triphasé est représenté schématiquement, à titre d'exemple, à la figure 6. Les trois phases sont représentées respectivement par leurs bobines 7A, 7B, 7C et leurs induits 8A, 8B, 8C. Dans cet exemple les trois bobines 7A, 7B, 7C sont côte à côte, sans espace entre elles. On voit que des aimants permanents 9a et lOb sont communs aux bobines 7A et 7B et que des aimants 10a et 9b sont communs aux bobines 7B et 7C. La distance entre deux phases consécutives, c'est-à-dire entre les axes des induits, est égale à 5/6 pas statorique. De manière générale, si p représente le pas statorique, la distance entre deux phases consécutives, c'est-à- dire entre les axes de deux bobines voisines, est égale à 2p/3 ou 5p/6 ou 7p/6 ou 4p/3, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration des performances d'un moteur électrique synchrone à aimants permanents et à commutation de flux, comportant un équipage mobile comprenant au moins un induit (8), une bobine d'induit (7) et deux aimants permanents (9,10) et un stator comprenant des pièces polaires (2, 2'), consistant à séparer le moteur, à l'exception de l'induit et de sa bobine, en deux parties (2a, 2b, 9a, 9b, 10a, lOb) symétriques selon un plan, dit de fractionnement, perpendiculaire au plan de l'entrefer et à décaler d'un demi-pas les parties fractionnées (2a, 2b) des pièces polaires statoriques dans le sens du déplacement relatif de l'équipage mobile et à inverser la polarité des aimants permanents fractionnés par la séparation, de manière à rencontrer quatre aimants de polarités alternées lorsqu'on décrit un tour de bobine. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on écarte l'une de l'autre les parties fractionnées (2a, 2b) des pièces polaires statoriques et qu'on forme, aux extrémités de l'induit (8) un épanouissement (16) destiné à établir un pont magnétique entre les parties écartées. 3. Moteur obtenu par le procédé selon la revendication 1 ou 2. 4. Moteur linéaire à au moins deux phases à commutation de flux comprenant un équipage mobile comprenant au moins deux bobines d'induction (7) entourant chacune un induit magnétique (8) définissant des pôles magnétiques mobiles, chaque bobine étant entourée par deux paires d'aimants permanents (9a, 9b, lOa, lOb) disposés symétriquement aux axes des bobines et symétriquement au plan contenant les axes des induits et aimantés selon un axe parallèle à l'axe de la bobine, la moitié de ces aimants étant polarisés dans un sens et l'autre moitié dans le sens opposé, un tube statorique de guidage (1) présentant des pôles magnétiques constitués de deux rangées parallèles de pièces en matériau magnétique (2a, 2b) fixées dans un tube de guidage en matériau amagnétique, sur au moins une paroi de ce tube de manière à venir successivement en face des pôles magnétiques mobiles lors du déplacement de l'équipage mobile, les pièces statoriques (2a) de l'une des rangées étant décalées d'un demi-pas statorique relativement aux pièces (2b) de l'autre rangée, et des moyens de commutation du sens du courant dans les bobines, caractérisé en ce que les aimants disposés symétriquement aux axes des bobines sont de même polarité. 5. Moteur linéaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que les induits sont munis d'épanouissement polaire (16) s'étendent perpendiculairement au plan contenant les axes des induits. 6. Moteur linéaire selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que deux phases consécutives de l'équipage mobile ont deux aimants communs. 7. Moteur linéaire triphasé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance séparant les axes de deux bobines voisines est égale à 2/3 ou 5/6 ou 7/6 ou 4/3 du pas statorique.