Brevet FR2905205A1 — publié le 20080229

L'invention se rapporte au domaine des machines électriques de type tubulaire avec stator bobiné. L'invention s'applique préférentiellement à des moteurs de type synchrone avec rotor aimanté, mais elle peut également s'appliquer à des moteurs de type pas-à-pas ou asynchrones. L'invention s'applique également à des alternateurs de type tubulaire. Les machines sont dites tubulaires lorsque leur longueur est supérieure à leur diamètre. Un problème posé par la réalisation de moteurs tubulaires est l'obtention de puissance importante ou d'un couple important dans un diamètre limité. En effet, une solution classique de bobinage stator conduit alors à réduire le diamètre du rotor, et donc à limiter la performance du moteur. Ce problème d'encombrement radial du 'moteur est crucial dans certaines applications, notamment certaines applications domotiques où le moteur est destiné à être monté dans un tube d'enroulement d'un store ou d'un volet roulant, un tel tube présentant en général un diamètre réduit et une longueur très importante par rapport à son diamètre. II est connu, pour les moteurs pas-à-pas, de recourir à des configurations de stators utilisant des pièces polaires en forme de griffes ( claw-pole stepping motor ), notamment dans le cas de moteurs à deux phases d'alimentation. Un exemple de réalisation est donné par la demande de brevet US 2005/0046305. Dans ce moteur, deux bobines sont disposées de part et d'autre du rotor du moteur, les axes des bobines étant confondus avec celui du rotor. D'autres exemples sont donnés par les demandes de brevet EP 1 420 507 ou JP 2005328647. La dernande de brevet JP 2001161054 30 décrit une configuration triphasée. MS\2. S649.12FR.571. dpt.doc 2905205 2 Un inconvénient de ces structures réside dans le fait que chaque phase n'agit que sur une portion seulement du rotor, par exemple la moitié du rotor, voire même le tiers du rotor dans le cas de la demande JP 2001 1 61 054. Cette sous-utilisation du rotor est préjudiciable à 5 l'obtention d'une forte puissance ou d'un fort couple dans un diamètre donné. Le fait de disposer chaque bobinage autour du rotor, dans cette demande, contraint à réduire le diamètre de celui-ci si le diamètre total est imposé. 10 Le même type d'inconvénient se retrouve dans les moteurs comprenant un bobinage par dent, comme décrit par exemple dans le brevet US 6,847,149. Le but de l'invention est de fournir une machine électrique remédiant aux 15 inconvénients cités précédemment et améliorant les machines électriques connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose une machine électrique, notamment un moteur, dont la structure minimise son encombrement radial tout en affectant le moins possible son couple mécanique. 20 La machine électrique selon l'invention comprend un rotor mobile autour d'un axe de la machine et, de part et d'autre du rotor, une première partie de stator et une deuxième partie de stator présentant des griffes ferromagnétiques s'étendant et s'entrelaçant autour du rotor en 25 définissant un cylindre de révolution coaxial au rotor. Elle est caractérisée en ce qu'au moins la première partie du stator comprend plusieurs bobinages permettant de magnétiser différemment des griffes ferromagnétiques de même orientation et consécutives dans la direction de rotation du rotor et en ce que les bobinages sont essentiellement inclus dans le cylindre de révolution. M S \2 . S 649.12 FR. 5 71. dp t. do c 2905205 3 La première partie de stator peut comprendre trois griffes et trois bobinages. Les axes des bobinages peuvent être disposés orthogonalement à l'axe 5 de la machine. La deuxième partie de stator peut comprendre différents bobinages permettant de magnétiser différemment les unes des autres différentes griffes ferromagnétiques de la deuxième partie du stator, ces bobinages 10 étant essentiellement inclus dans le cylindre de révolution. La deuxième partie de stator peut comprendre différentes griffes ferromagnétiques collectrices de flux magnétique solidaires d'une embase ferromagnétique. Le rotor peut comprendre des secteurs aimantés de manière radiale ou de manière orthoradiale. Le rotor peut comprendre des parties conductrices en court-circuit. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un moteur selon l'invention. La figure 1 est une vue éclatée d'un moteur selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'une première partie de stator du moteur selon l'invention. La figure 3 est une vue en perspective de la première partie du stator. MS\2.S649.12FR.571.dpt.doc 15 20 25 30 2905205 4 Dans un premier mode de réalisation, le moteur 10 représenté en figure 1 comprend un rotor 40 et un stator en deux parties, une première partie 20, une deuxième partie 30. L'axe 22 du moteur autour duquel tourne le rotor est représenté par un trait mixte. 5 Le rotor 40 comprend un arbre 41 et un moyeu 42 ferromagnétique sur lequel est disposé un aimant cylindrique 43. L'aimant cylindrique 43 est sectorisé et comprend quatre paires de pôles alternés à aimantation radiale dans le cas d'un moteur de diamètre 50 mm. Deux secteurs sont 10 représentés sur la figure : un premier secteur 44 dont l'aimantation est radiale centrifuge, et un deuxième secteur 45 dont l'aimantation est radiale centripète. Alternativement, l'aimantation des secteurs pourrait être tangentielle. 15 Les deux parties de stator sont différentes, la première est active et la deuxième passive. Ces deux parties sont emboîtées l'une dans l'autre. La première partie de stator 20 comprend trois bobinages, non représentés sur la figure 1, tandis que la deuxième partie de stator 30 20 sert uniquement à la fermeture du circuit magnétique. A la figure 2, la première partie de stator est représentée en coupe selon un plan P1 perpendiculaire à l'axe du moteur. 25 La première partie de stator comprend trois sous-ensembles 21 a, 21 b et 21c identiques, décalés de 120 en rotation autour de l'axe du moteur et montés sur un moyeu 24. Le moyeu comprend un premier alésage 25 permettant le guidage en rotation du rotor par l'arbre 41. 30 Le premier sous-ensemble 21a comprend une dent 26a s'étendant radialement par rapport à l'axe du moteur, un collecteur de flux MS\2. S649.12FR.571.dpt.doc 2905205 5 magnétique 27a et un bobinage 213a. Le collecteur de flux est préférentiellement un secteur angulaire d'un anneau cylindrique, dont l'ouverture angulaire a par rapport à l'axe du moteur est sensiblement inférieure à 60 , par exemple l'angle a est compris entre 45 et 55 . 5 Dans chaque sous-ensemble, un bobinage électrique identique est réalisé autour de la dent. Le bobinage 28a entoure donc la dent 26a du sous-ensemble 21a. Préférentiellement, ce bobinage occupe tout l'espace disponible entre le moyeu et le collecteur de flux, tout en laissant 10 néanmoins un espace suffisant pour l'emboîtement de la deuxième partie de stator dans la première partie. La figure 3 représente la première partie de stator 20 en perspective. On a représenté un plan P2 perpendiculaire à l'axe du moteur et tangent à 15 l'extrémité droite du moyeu 24. Dans chaque sous-ensemble 21a, 21b, 21c, le collecteur de flux 27a, 27b, 27c est prolongé sur sa partie droite par une griffe polaire 29a, 29b, 29c qui s'étend de préférence parallèlement à l'axe 22 au-delà du plan 20 P2. La forme de la griffe polaire est préférentiellement identique à celle du collecteur de flux, et la longueur de la griffe polaire est préférentiellement légèrement inférieure à celle de l'aimant 43 du rotor 40. Alternativement, les griffes polaires peuvent s'étendre sur toute la longueur de l'aimant du rotor. 25 Les sections du collecteur de flux et de la griffe peuvent être différentes. Dans une variante non représentée, la griffe a une section constante sous forme de portion annulaire, dont l'ouverture angulaire a' par rapport à l'axe du moteur est sensiblement inférieure à 60 , tandis que la section 30 du collecteur de flux croît progressivement de la gauche vers la droite, jusqu'à présenter une section maximale au niveau du plan P2, section MS\2. S 649.12FR. 5 71. dpt. doc 2905205 6 alors égale à celle de la griffe. Les sections des collecteurs de flux et des griffes peuvent également avoir une autre forme que celle d'un secteur angulaire d'anneau. 5 Le moyeu, les dents radiales, les collecteurs de flux et les griffes polaires sont réalisés avec un matériau magnétique de forte perméabilité et à faibles pertes, par exemple par frittage de poudre de fer à grains isolés. Préférentiellement, la partie ferromagnétique de la première partie de stator est réalisée en une seule pièce. Les bobinages sont ensuite 10 réalisés par une technique automatique de type flyer , analogue à celle utilisée pour les rotors de moteurs à courant continu à collecteur trois lames. De manière préférée, les extrémités de chaque dent présentent des 15 évidements 51a, 51b, 51c, 52a, 52b et 52c de manière à faciliter le bobinage et à éviter que celui-ci ne déborde de la partie droite ou gauche du moyeu. La deuxième partie 30 de stator présente trois griffes 31a, 31b, 31c 20 collectrices de flux magnétique, identiques décalées de 120 en rotation autour de l'axe du moteur et raccordées à une embase 34 munie d'un deuxième alésage destiné au guidage de l'arbre du rotor. Cette deuxième partie 30 de stator est réalisée en matériau ferromagnétique. 25 Les griffes collectrices de flux ont préférentiellement la même forme que les griffes polaires et une longueur sensiblement égale à celle de l'aimant 43 du rotor. Elles sont décalées de 60 par rapport à ces dernières et sont donc intercalées avec celles-ci une fois le moteur assemblé. Par exemple, la griffe polaire 29a est entourée par les griffes collectrices 31a 30 et 31 b. MS\2. S649.12FR.571.dpt.doc 2905205 7 Les griffes polaires et les griffes collectrices de flux délimitent un cylindre de révolution C dans lequel est logé le rotor. Le rayon de ce cylindre est égal au rayon de l'aimant du rotor augmenté de la distance d'entrefer entre rotor et griffe. 5 Pour éviter les fuites magnétiques, il est important qu'un espacement suffisant d'entrefer soit ménagé entre les griffes polaires et les griffes collectrices de flux, de même qu'entre les griffes polaires et l'embase 34. Par exemple, cet espacement d'entrefer est de 5 mm pour un moteur de 10 diamètre 25 mm. Cet espacement est obtenu par le fait que l'ouverture angulaire des griffes polaires et des griffes collectrices est inférieure à 60 et par le fait, que par sa construction mécanique, une fois le moteur assemblé, les extrémités des griffes polaires sont maintenues à distance de l'embase 34. 15 La deuxième partie de stator 30 est préférentiellement réalisée en une seule pièce, par frittage de poudre ferromagnétique. Les trois bobinages de la première partie de stator sont alimentés en 20 triphasé. Cette alimentation a pour effet de magnétiser les différents sous-ensembles du stator et de créer au niveau du rotor un champ magnétique tournant. La structure permet d'avoir un flux résultant sensiblement nul dans le moyeu 24 qui peut sans inconvénient être traversé par un arbre en acier massif et dont les dimensions ne sont donc 25 pas fixées par des contraintes magnétiques. De même, le flux magnétique résultant est sensiblement nul dans la partie centrale de l'embase 34, dont l'alésage peut sans inconvénient contenir un roulement à billes en acier. MS\2.S649.12FR.571.dpt.doc 2905205 8 Les flux magnétiques créés par les bobines se referment dans la deuxième partie de stator après avoir interagi avec le rotor et créé le couple moteur. 5 Dans le mode de réalisation décrit précédemment, les axes des bobinages sont perpendiculaires à l'axe du moteur. Cependant, dans différentes variantes de réalisation du moteur, les axes des bobinages peuvent former un autre angle avec l'axe du moteur et même être parallèles à l'axe du moteur. 10 Dans une variante non représentée, les griffes peuvent s'étendre autour du rotor de manière hélicoïdale en formant un angle d'hélice faible avec l'axe du moteur. Les secteurs d'aimantation du rotor peuvent eux-mêmes présenter une telle disposition hélicoïdale. 15 Dans un deuxième mode de réalisation du moteur (non représenté), la deuxième partie de stator est active. Elle est identique à la première partie 20 et simplement retournée de 180 autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du moteur. Ainsi, par exemple la griffe homologue 20 de la griffe polaire 29a située au sommet du moteur se trouve située dans la partie basse du moteur de la même façon que la griffe collectrice de flux 31c. Le moteur comprend alors six bobinages, qui sont alors alimentés par paires, en série ou en parallèle, une paire étant constituée de bobinages dont les axes sont parallèles dans le cas où les bobinages 25 sont disposés perpendiculairement à l'axe du moteur. Dans chacun des deux modes de réalisation, les bobinages sont essentiellement inclus à l'intérieur du cylindre de révolution C. Cependant, une variante de réalisation consiste à donner, au moins 30 localement, une épaisseur supérieure à la griffe polaire en comparaison de l'épaisseur du collecteur de flux, par exemple pour former une MS\2.S649.12FR.571.dpt.doc 2905205 9 protubérance comme décrit par la référence 14 dans le brevet US 6,847,149. Dans ce cas, une faible partie des bobinages peut déborder radialement du cylindre. De même, on constate sur la figure 2 qu'une partie des bobinages déborde du cylindre de révolution C. 5 Par essentiellement inclus , il faut donc entendre qu'avantageusement au moins 60% du volume des bobinages est inclus dans le cylindre de révolution C. De préférence, au moins 80% du volume des bobinages est inclus dans le cylindre de révolution C. Les bobinages peuvent aussi être 10 inclus en totalité dans le cylindre de révolution C. La structure de moteur selon l'invention permet, dans une même partie de stator, de magnétiser différemment chaque griffe ferromagnétique en comparaison des autres griffes de même orientation et consécutives 15 dans la direction de rotation du rotor, en particulier à l'aide du bobinage disposé autour de la dent ferromagnétique à laquelle la griffe est raccordée par un collecteur de flux. Mais les courants circulant dans chaque bobinage interviennent dans le flux parcourant une griffe. En absence de fuites magnétiques, le flux dans une griffe est en effet égal et 20 opposé à la somme des flux dans les deux autres griffes. Deux griffes consécutives peuvent présenter un mêrne flux magnétique à un instant particulier, mais la troisième griffe présente alors un flux double et opposé. 25 Par magnétiser différemment , il faut entendre que l'état magnétique d'une griffe est à tout instant différent de celui de l'ensemble des autres griffes de même orientation et consécutives dans la direction de rotation du rotor, mais non indépendant de l'état magnétique de ces autres griffes. 30 MS\2.S649.12FR.571.dpt.doc 2905205 10 Le fait de décomposer le stator en deux parties emboîtées l'une dans l'autre permet de loger, dans chaque partie, seulement une sur deux des griffes vues par le rotor. La première partie de stator, dans le cas du premier mode de réalisation, ou les deux parties de stator, dans le cas du 5 deuxième mode de réalisation, présentent donc chacune un espace suffisant pour loger les bobinages. La structure est de type triphasé, et on utilise avantageusement le fait que le flux résultant est nul dans une partie commune de circuit 10 magnétique. Avec un rotor aimanté, l'invention permet la réalisation d'un moteur de type synchrone. Le rotor décrit dans l'invention est réalisé à l'aide d'un anneau cylindrique massif dont l'aimantation est sectorisée, mais il est 15 possible d'utiliser également un assemblage multipolaire réalisé à partir d'aimants et de pièces polaires rotor, comme décrit dans le brevet US 6,847,149. La surface interne des griffes stator peut alors comporter des évidements ou des protubérances comme représenté par la référence 14 dans ce brevet, afin de diminuer le couple réluctant. 20 On peut de même utiliser un rotor conducteur (par exemple à cage d'écureuil) pour réaliser un moteur à induction triphasé (moteur asynchrone). L'invention a été décrite dans le cas d'un moteur mais s'applique aussi à un fonctionnement en générateur (alternateur). L'invention s'applique aussi au cas diphasé, mais il est alors préférable d'utiliser un arbre rotor et/ou des paliers ou roulements non magnétiques. MS\2. S649.12FR.5 71. dpt. doc 25 Revendications : 1. Machine électrique (10) comprenant un rotor (40) mobile autour d'un axe (22) de la machine et, de part et d'autre du rotor, une première partie (20) de stator et une deuxième partie (30) de stator présentant des griffes ferromagnétiques (29a, 29b, 29c, 31a, 31b, 31c) s'étendant et s'entrelaçant autour du rotor en définissant un cylindre de révolution (C) coaxial au rotor, caractérisée en ce qu'au moins la première partie du stator comprend plusieurs bobinages (28a, 28b, 28c) permettant de magnétiser différemment des griffes ferromagnétiques de même orientation et consécutives dans la direction de rotation du rotor et en ce que les bobinages sont essentiellement inclus dans le cylindre de révolution. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie de stator comprend trois griffes et trois bobinages. 3. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les axes des bobinages sont disposés orthogonalement à l'axe de la machine. 4. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième partie de stator comprend différents bobinages permettant de magnétiser différemment les unes des autres différentes griffes ferromagnétiques de la deuxième partie du stator, ces bobinages étant essentiellement inclus dans le cylindre de révolution. 5. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la deuxième partie de stator comprend MS\2.S649.12FR.571.dpt.doc 11 15 2905205 12 différentes griffes ferromagnétiques collectrices de flux magnétique solidaires d'une embase (34) ferromagnétique. 6. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que le rotor comprend des secteurs (44, 45) aimantés de manière radiale. 7. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le rotor comprend des secteurs aimantés de 10 manière orthoradiale. 8. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rotor comprend des parties conductrices en court-circuit. MS\2. S649.12FR.571.dpt. doc