Brevet FR2883678A1 — publié le 20060929

Moteur électrique monophasé bidirectionnel à aimants permanents La présente invention se rapporte au domaine technique des moteurs électriques monophasés à aimant permanent. On utilise de tels moteurs par exemple dans l'industrie automobile, notamment pour actionner des volets de climatisation dans les véhicules. Il peut alors s'agir de moteurs pas à pas comportant: - une bobine d'induction magnétique; - un rotor constitué d'un aimant permanent à n pôles tournant autour d'un axe; - et une culasse magnétique comportant deux demi-coques présentant chacune des dents s'étendant vers l'autre demi-coque, sensiblement selon une direction parallèle à l'axe du rotor, lesdites dents étant symétriques et s'interpénétrant pour réaliser avec la bobine d'induction le circuit magnétique. Afin de pouvoir fermer ou ouvrir ces volets, la rotation du moteur pas à pas doit bien entendu être bidirectionnelle. Pour les moteurs connus jusqu'ici, cela signifie une structure nécessairement diphasée en raison du manque d'information sur la position du rotor. En effet, si l'on ne connaît pas la polarité de l'aimant situé en face du pôle de la bobine, l'utilisation d'un moteur monophasé génère un démarrage aléatoire dans un sens de rotation ou dans l'autre lorsque la bobine est alimentée. Cela n'est évidemment pas acceptable pour le pilotage d'un actionneur électrique dans le contexte évoqué ci-dessus. Ces moteurs posent en outre un problème au démarrage. Leur couple de détente, qui résulte de l'interaction entre les aimants et le circuit magnétique et existe même lorsque le moteur n'est pas alimenté, tend à imposer les positions d'arrêt du moteur. Si ces positions d'arrêt correspondent à celles où le couple électromagnétique (couple hybride) est pratiquement nul, le moteur monophasé ne peut pas démarrer sans assistance extérieure. Différentes solutions ont été proposées pour pallier ce problème, et notamment l'adjonction de pôles auxiliaires de démarrage ou l'alimentation d'une bobine complémentaire à partir d'un circuit déphaseur. L'inconvénient de ces solutions réside en ce qu'elles imposent alors au moteur de tourner toujours dans le même sens de rotation. Les applications qui utilisent les moteurs monophasés pas à pas avec assistance extérieure au démarrage sont donc celles où seul un sens de rotation est demandé comme par exemple l'horlogerie, les petits ventilateurs d'ordinateurs ou encore les panneaux d'affichage dans les aéroports, présentant un couple résistant relativement faible au démarrage. 2883678 2 Avec les moteurs monophasés de l'art antérieur, on est ainsi confronté d'une part au problème de la maîtrise du sens de rotation et d'autre part au problème du couple de démarrage. Le but de la présente invention vise à réaliser un moteur électrique monophasé présentant un couple important au démarrage et facilement pilotable dans les deux sens de rotation. Un tel moteur rend alors possible la réalisation d'un actionneur électrique monophasé à aimant permanent, bidirectionnel et dépourvu de moyens additionnels de démarrage. Pour réaliser ces objectifs, le moteur électrique monophasé de l'invention 10 comporte classiquement: - un rotor constitué d'un aimant permanent à n pôles; - un stator constitué d'une bobine d'axe confondu avec l'axe de rotation du rotor et d'un circuit magnétique présentant une symétrie de révolution par rapport audit axe, ledit circuit comprenant deux parties auxquelles la bobine confère une polarité opposée lorsqu'elle est alimentée, dotées chacune de dents orientées parallèlement à l'axe de rotation du rotor, lesdites dents s'interpénétrant. A titre principal, ce moteur se caractérise selon l'invention en ce que les pôles du rotor sont de largeur angulaire identique, les dents issues de l'une des parties du circuit magnétique ayant une largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor, et les dents issues de l'autre partie du circuit présentant une forme différente des précédentes, la différence de forme permettant d'éviter un "court-circuit" magnétique avec les dents adjacentes. Cette configuration permet de garantir les positions stables d'arrêt du rotor correspondant à un couple hybride maximal au démarrage. Une position stable correspond par définition, sur la courbe de variation des couples électromagnétiques en fonction de la position du rotor, à un couple de détente nul sur une portion de la courbe présentant une pente négative. Cette correspondance favorable des couples hybride et de détente résulte, selon des résultats à présent bien établis, de la valeur de la largeur des pôles statoriques. Pour que le couple hybride soit maximal pour les positions d'arrêt stables du rotor, les pôles statoriques doivent avoir une largeur sensiblement égale à la largeur polaire de l'aimant. Dans les structures connues présentant cette caractéristique, le nombre d'aimants était de plus prévu supérieur ai nombre de pôles statoriques, afin d'éviter que leur flux se referme au travers desdits pôles sans passer par la bobine, ce qui aurait généré un "court-circuit" magnétique préjudiciable au fonctionnement du moteur. 2883678 3 Dans la structure à cage à dents de l'invention, les dents issues d'une des parties du circuit magnétique remplissent bien la condition de largeur mentionnée auparavant, tandis que les dents issues de l'autre partie du circuit permettent d'éviter le court-circuit précité, sans préjuger pour autant du nombre respectif des aimants et des pôles statoriques. Suivant un exemple de réalisation, les dents d'une partie du circuit magnétique présentent une forme d'allure rectangulaire de largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor et les dents de l'autre partie présentent une forme trapézoïdale dont la largeur angulaire se réduit en direction de leur extrémité libre. C'est cette dissymétrie qui permet d'éviter le "court-circuit" magnétique entre les pôles. Selon une possibilité, les dents de forme trapézoïdale peuvent présenter une largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor au niveau de leur base. De préférence, chaque partie du circuit magnétique comporte n/2 dents. Pour l'agencement du rotor par rapport au stator, deux solutions sont possibles: selon un exemple de réalisation, le rotor est logé à l'intérieur du stator dans un espace libre délimité par une cage formée par les dents. Les avantages de cette solution sont notamment: - une aimantation du rotor aisée à réaliser car elle peut se faire extérieurement, en périphérie et en surface; - un mode d'obtention industriel plus simple, puisqu'il s'agit de la fabrication d'un cylindre de révolution plein; - pour un volume donné l'inertie du rotor est plus faible, car son diamètre est réduit; la connexion des enroulements du stator est aisée, les extrémités des fils se situant en dehors de pièces tournantes. Dans une autre version, le rotor est conformé pour tourner à l'extérieur du stator, en face d'une paroi extérieure formée par les dents. Cette solution technique présente l'avantage que l'aimant permanent englobe le stator, ce qui est intéressant pour la maîtrise du sens de rotation, car la position du rotor est plus facile à détecter. Ladite maîtrise nécessite en effet l'existence de moyens de détection de la position du rotor à l'arrêt, permettant d'établir la localisation et la polarité des aimants permanents par rapport aux pôles statoriques et d'en inférer les données nécessaires au pilotage du moteur. Plus précisément, ces moyens peuvent consister en des moyens de détection de la polarité d'un pôle du rotor se trouvant à une position angulaire donnée à l'arrêt du moteur. 2883678 4 De préférence, il peut s'agir d'un capteur à effet Hall disposé fixe à proximité de la périphérie du rotor. Dans cette hypothèse, notamment pour une configuration à rotor extérieur, i est préférable de polariser les aimants du rotor de manière qu'une partie du champ magnétique traverse son épaisseur: une aimantation radiale est alors préconisée. Il est possible de disposer le capteur à effet Hall dans un module électronique unitaire de type ASIC ou microcontrôleur comportant la commande du moteur et disposé à proximité de celui-ci. Cette intégration est notamment intéressante sur un plan industriel. La présente invention concerne également des actionneurs électriques comportant un moteur électrique tel que décrit auparavant. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée figurant ci-après en référence aux dessins, dans lesquels: - la figure 1 est une vue partiellement en coupe d'un exemple de réalisation d'un actionneur électrique conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue extérieure de l'actionneur électrique de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective éclatée de l'ensemble présenté aux figures précédentes; - la figure 4 représente une coupe transversale du moteur; et - la figure 5 montre une coupe transversale équivalente à celle de la figure 4 pour une configuration de moteur monophasé à rotor interne. Les figures 1 à 4 représentent un exemple de réalisation d'un actionneur électrique monophasé conforme à l'invention. Le moteur proprement dit est relié à un circuit d'alimentation et de commande (1) par des moyens de connexion électrique (2). II comporte une bobine d'induction magnétique (3) et un rotor (4) constitué d'un aimant permanent à n pôles (voir en figure 4). Le rotor (4) tourne autour d'un axe central matérialisé par un arbre (5) auquel est solidarisé un pignon d'entraînement (6). Ce dernier est par exemple réalisé d'une seule pièce avec le rotor (4). Les pôles magnétiques du rotor (4) sont disposés sur une paroi périphérique cylindrique (7) d'allure axiale entourant les parties constitutives du stator, et sont toutes de dimension angulaire égale, comme cela apparaît en figure 4. Le moteur électrique conforme à l'invention comporte également un circuit magnétique comportant deux parties ou demi-coques (8, 9) et des moyens d'assemblage de ces dernières. Chaque demi-coque (8) ou (9) comporte des 2883678 5 dents (10, 11) s'étendant respectivement vers l'autre demicoque (8, 9) selon une direction sensiblement parallèle à l'axe (5) du rotor (voir en figure 3). Les dents (10, 11) issues des demi-coques (8, 9) s'interpénètrent, une dent issue d'une demi-coque (8, 9) succédant à une dent issue de l'autre demi-coque (9, 8). Les dents (10) de la demi-coque (8) ont une forme différente des dents (11) de l'autre demi-coque (9), et elles présentent une largeur égale à celle des pôles du rotor (4). On obtient ainsi, comme expliqué ci-dessus, une correspondance entre les positions d'arrêt stables du rotor et un couple maximal au démarrage et on évite en même temps un "court-circuit' magnétique. Aucune aide ou assistance extérieure n'est donc nécessaire au démarrage dudit moteur. Les dents (10) des demi-coques (8) présentent une forme sensiblement rectangulaire et les dents (11) de l'autre demi-coque (9) présentent une forme trapézoïdale dont la largeur angulaire se réduit vers leur extrémité libre. Dans un tel exemple de réalisation la forme rectangulaire des dents (10) assure, pour une moitié du nombre n de pôles, la condition consistant à faire correspondre sensiblement la largeur des aimants et la largeur polaire statorique. La deuxième partie (9) du circuit magnétique, réalisée notamment avec les dents (11) de forme trapézoïdale, permet d'éviter un "court-circuit" magnétique des pôles. Les dents (11) présentent de fait elles aussi une largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor, mais uniquement dans leur zone de liaison avec une plaque de base (9a) normale à l'arbre (5). Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 à 4, le rotor (4) est conformé pour tourner à l'extérieur d'une paroi externe d'orientation axiale formée par les dents (10, 11). Le moyen de détermination de la polarité de l'aimant permanent est par exemple un capteur à effet Hall. Ce capteur est disposé à l'extérieur du moteur. L'utilisation d'un rotor externe dispense, par rapport à la solution avec un rotor interne, de prolonger axialement l'aimant, donc d'ajouter de la matière aimantée qui serait seulement utilisée à des fins de détection mais en soit inutile pour la création du couple. Le rotor doit cependant alors de préférence présenter une aimantation radiale. Dans la structure représentée, le capteur à effet Hall est intégré à un composant du type "ASIC" (12) ou dans un module électronique qui permet la commande moteur. L'intégration est alors optimale tant au niveau de l'encombrement que du coût. Le capteur à effet Hall permet de piloter la phase du moteur avec un enroulement soit simple, soit bifilaire pour une alimentation respectivement 2883678 6 bipolaire ou unipolaire, c'est-à-dire avec un courant qui traverse la phase de signe alterné ou de signe constant. La figure 5 présente une variante possible, dans laquelle le rotor (4) est logé à l'intérieur du stator. Dans cette hypothèse, la bobine d'excitation (3) est disposée à l'extérieur de la paroi axiale formée par les dents (10, 11) qui s'interpénètrent. La présente invention concerne non seulement le moteur monophasé, mais également l'actionneur obtenu en y ajoutant un circuit de pilotage. Cet actionneur peut par exemple être autopiloté de manière à fonctionner comme un moteur à courant continu sans balais, en commandant un étage de puissance grâce au capteur à effet Hall, ou fonctionner en mode pas à pas, en conservant l'information se rapportant à la position et à la vitesse du moteur. 2883678 7 REVENDICATIONS 1. Moteur électrique monophasé, comportant: un rotor (4) constitué d'un aimant permanent à n pôles; - un stator constitué d'au moins une bobine (3) d'axe confondu avec l'axe de rotation du rotor (4) et d'un circuit magnétique présentant une symétrie de révolution par rapport audit axe, ledit circuit comprenant deux parties (8, 9) auxquelles la bobine (3) confère une polarité opposée lorsqu'elle est alimentée, dotées chacune de dents (10, 11) orientées sensiblement parallèlement à l'axe de rotation du rotor (4), lesdites dents (10, 11) s'interpénétrant, caractérisé en ce que les pôles du rotor (4) sont de largeur angulaire identique, les dents (10) issues de l'une des parties (8) du circuit magnétique ayant une largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor (4), et les dents (11) issues de l'autre partie (9) du circuit présentant une forme différente des précédentes, la différence de forme permettant d'éviter un "court-circuit" magnétique avec les dents adjacentes. 2. Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dents (10) d'une partie (8) du circuit magnétique présentent une forme d'allure rectangulaire de largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor (4) et les dents (11) de l'autre partie (9) présentent une forme trapézoïdale dont la largeur angulaire se réduit en direction de leur extrémité libre. 3. Moteur électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les dents (11) de forme trapézoïdale présentent à leur base une largeur angulaire sensiblement égale à celle des pôles du rotor (4). 4. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque partie (8, 9) du circuit magnétique comporte n/2 dents (10, 11). 5. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor (4) est logé à l'intérieur du stator dans un espace libre délimité par une cage formée par les dents (10, 11). 6. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rotor (4) est conformé pour tourner à l'extérieur du stator, recouvrant notamment une paroi externe d'orientation axiale formée par les dents (10, 11). 7. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection de la position du rotor (4) à l'arrêt. 8. Moteur électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens consistent en des moyens de détection de la polarité d'un pôle du rotor (4) se trouvant à une position angulaire donnée à l'arrêt du moteur. 9. Moteur électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection consistent en un capteur à effet Hall disposé fixe à proximité de la périphérie du rotor (4). 10. Moteur électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que 20 les portions polarisées du rotor (4) sont aimantés suivant une direction radiale. 11. Actionneur électromagnétique bidirectionnel comportant un moteur électrique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.