Brevet FR3087962A1 — publié le 20200501

MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU SANS BALAI AVEC UN COUPLE DE CRANTAGE REDUIT ET SON PROCEDE DE REALISATION La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balai avec un couple de crantage réduit. Un tel couple de crantage, aussi désigné sous l'expression couple d'encochage, est également nommé par le terme anglais « cogging ou par l'expression anglaise « cogging torque ». Pour faciliter la lecture, le terme « cogging » sera préférentiellement utilisé par la suite. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un tel moteur. Un moteur à courant continu sans balais est communément désigné par l'appellation « moteur brushless ». Un tel moteur comprend un rotor, composé d'au moins un aimant permanent, et un stator comportant plusieurs bobines générant un champ magnétique. Les bobines sont alimentées de façon séquentielle. De la sorte on génère un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d'alimentation des phases. Le ou les aimant(s) permanent(s) du rotor cherche(nt) à chaque instant à s'orienter dans le sens du champ magnétique, ce qui induit le déplacement en rotation du rotor. Les tensions d'alimentation des phases sont adaptées continuellement pour que le champ reste en avance sur la position du rotor, afin d'obtenir un couple moteur. Un moteur brushless assure la conversion d'une énergie électrique en énergie magnétique puis en un mouvement mécanique de rotation. Certains moteurs brushless sont configurés avec le rotor positionné autour du stator. Cette configuration permet d'obtenir un couple moteur élevé avec une fréquence de rotation relativement faible. D'autres types de moteur brushless, plus fréquents, ont une configuration miroir, à savoir un rotor inséré dans le stator. Dans ce cas, les vitesses de rotation sont plus élevées pour un couple plus faible, à taille de moteur équivalente. Des moteurs brushless du type rotor dans stator sont utilisés dans certains domaines où un couple doit être fourni sous un encombrement réduit, avec un fonctionnement sécurisé et continu. On les rencontre, par exemple, dans le domaine aéronautique pour des actionneurs électromécaniques. Par la suite, pour faciliter la lecture, l'invention sera décrite pour un moteur brushless avec le rotor inséré dans le stator, étant entendu que l'invention trouve son application également dans la configuration miroir, à savoir avec un rotor entourant le stator. Dans la configuration illustrée, le stator forme un cylindre creux à base circulaire avec un volume central qui reçoit le rotor, également en forme de cylindre, plein, à base circulaire. Le rotor comprend un arbre d'entrainement d'un organe défini. Des cloisons 10 radiales s'étendent entre le volume central et la paroi externe du stator. Les cloisons définissent entre elles des volumes unitaires ou encoches, ouverts en direction du rotor. De facto, ces encoches entourent le rotor lorsque ce dernier est introduit dans le volume central du stator. Ainsi, en section radiale, le stator présente une forme d'étoile ou plus exactement de bague étoilée. 15 Ces encoches permettent d'effectuer le bobinage, à savoir l'enroulement des fils de cuivre constitutif de la bobine électromagnétique du stator. Il existe donc, en section transversale du stator, une alternance de zones pleines, en l'espèce les cloisons métalliques, et de zones ouvertes. Le fonctionnement des moteurs brushless, quelle que soit leur configuration, 20 génère un couple particulier dit cogging, cela du fait du décalage, permanent et continu, entre le champ magnétique et l'orientation des aimants, lors de la rotation du rotor par rapport au stator. Pour mémoire, selon une définition admise par la commission électrotechnique internationale (CEI) le couple dénommé par le terme de cogging est le couple cyclique 25 d'un moteur électrique à aimant permanent résultant de la tendance du rotor et du stator à s'aligner dans une position correspondante à la réluctance magnétique minimale. En d'autres termes, il s'agit du phénomène de résistance à la rotation, de type pas à pas, observé lorsque le rotor tourne par rapport au stator. En effet, lorsque les aimants se retrouvent face à une partie métallique avec une saillance une liaison 3 magnétique s'établie et il y a alors une résistance à la rotation du rotor. En d'autres termes, le champ magnétique passe par la zone métallique où le volume d'air est le plus faible. Dans certains domaines, un tel phénomène peut induire au minimum une gêne 5 pour l'utilisateur d'un appareil ou dispositif mis en oeuvre par un tel moteur. Tel est le cas, à titre d'exemple non limitatif, dans le domaine aéronautique où des moteurs électriques à aimants permanents assurent la manoeuvre des commandes de vol. Toute gêne ou résistance dans la manipulation d'une commande de vol ressentie par le pilote peut affecter le pilotage de l'aéronef. En d'autres termes, il convient de préserver une 10 manoeuvrabilité fluide et continue, sans résistance, des commandes de vol, étant entendu que toute résistance peut être interprétée par le pilote comme un problème sur un organe de vol. Afin de remédier à ce phénomène de cogging tout en préservant autant que possible les caractéristiques et performances d'un moteur brushless, on connait, par 15 exemple, par US-A-2018020923, US-A-2018019648, US-A-6784582, US-A-2005067913, US-A-2007273234, WO-A-2018008328 des encoches du rotor fermées et/ou de formes plus ou moins complexes, et/ou des parois de formes complexes et/ou des cloisons du stator positionnées en décalé par rapport aux pôles des aimants. Ces solutions visent à diminuer autant que possible le cogging. 20 Plus généralement, l'une des solutions connues et fréquemment utilisées pour optimiser le cogging, c'est-à-dire diminuer celui-ci en affectant a minima les performances du moteur, consiste à fermer latéralement les encoches ou du moins à réduire l'ouverture au minimum : de la sorte, on créé un volume défini par des parois pleines, ou quasiment pleines, et il y a une continuité, ou une quasi continuité, de matière d'où un champ 25 magnétique sans discontinuité, donc sans alternance sensible de zones pleine et vide. On conçoit que, lorsque le rotor entoure le stator, on a également une paroi pleine continue entre le stator et le rotor. Dans ce cas, la paroi fermée est orientée vers l'extérieur du stator. 4 On conçoit qu'une telle solution n'est pas aisée à mettre en oeuvre, en particulier du fait que le bobinage s'effectue manuellement. En d'autres termes, l'absence d'ouverture pour le passage rapide des fils de bobinage affecte la productivité. En effet, l'enroulement des fils de cuivre s'effectue par passage successifs par les ouvertures 5 d'extrémité des encoches, par un « tricotage » manuel. Dans le cas où une ouverture minimale est préservée pour pouvoir réaliser le bobinage, il faut trouver une ouverture d'une largeur telle qu'elle assure le bobinage tout en réduisant au mieux le couple de cogging. Par ailleurs, le procédé de fermeture des encoches affecte également les performances du moteur d'autant que la fermeture des encoches n'est pas aisée à mettre 10 en oeuvre. Il est connu que la fabrication du stator se fait par empilement de bagues avec des reliefs radiaux coplanaires au plan principal de la bague. Ces reliefs définissent les cloisons délimitant les encoches. La fermeture des encoches s'effectue par une pièce rapportée, à partir de l'espace annulaire interne des bagues empilées ou par entourage 15 avec un cylindre intercalé entre les bagues et le manchon externe du stator, il y a une surépaisseur qui peut affecter le champ magnétique et/ou l'entrefer dans le cas où le rotor est logé dans le stator. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un moteur de type brushless avec un couple de crantage-ou cogging- limité, 20 d'une construction aisée et simple tout en n'affectant pas ou peu les performances d'un tel moteur. A cet effet, l'invention a pour objet un moteur à courant continu sans balais, comprenant un rotor, composé d'au moins un aimant permanent, et un stator comportant au moins trois cloisons s'étendant radialement à partir d'un corps principal cylindrique à 25 base circulaire, lesdites cloisons définissant entre elles au moins deux volumes de réception d'au moins trois bobines générant un champ magnétique, caractérisé en ce que chaque volume est fermé par une paroi reliant lesdites cloisons et en ce que ladite paroi comporte, sur sa face orientée vers le rotor. au moins une zone de restriction magnétique. 5 Ainsi, la présence d'une zone de restriction magnétique permet de guider le champ magnétique de sorte que les lignes de champ passent préférentiellement par l'aimant du rotor et non par les parois des encoches du stator. On oblige ainsi le champ magnétique à passer par tous les aimants, de manière continue, ce qui diminue au 5 maximum l'effet de cogging, en évitant les zones à fort volume d'air. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel moteur peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - La zone de restriction magnétique est formée par au moins une zone de moindre épaisseur de la paroi. 10 - La zone de moindre épaisseur est définie par un lamage ou une rainure ménagé(e) dans la paroi. - La zone de restriction magnétique est formée par au moins une portion de paroi en au moins un matériau peu magnétique ou amagnétique. - Un manchon entoure le stator et le rotor et ledit manchon comprend au moins une zone 15 de déformation adaptée pour maintenir la configuration géométrique externe du manchon lors du montage des éléments constitutifs du moteur. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un moteur conforme à l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes : - a) empilement de bagues métalliques préalablement usinées et configurées 20 selon la section transversale du stator avec des cloisons délimitant des volumes ouverts de réception des bobines, l'empilement étant effectué sur une hauteur correspondant à la longueur voulue du stator, - b) bobinage des fils de cuivre autour des cloisons sur l'empilement obtenu à l'étape a), 25 - c) montage par la technique du frettage de l'empilement obtenu à l'étape b) dans un manchon, - d) insertion du rotor dans le volume de réception du stator, - e) formage de la partie des fils de cuivre apparent sur les extrémités ou chignon, - f) surmoulage final des éléments du moteur par de la résine. 6 Un tel procédé permet un montage précis, sans générer de surépaisseur grâce à la technique du frettage, connue en soi. Le frettage autorise un ajustement légèrement serrant entre les empilements et le corps du moteur, favorisant ainsi la conductivité magnétique et thermique entre les éléments. 5 Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut comprendre une ou plusieurs des étapes suivantes: - lors de l'étape c) de frettage, un indexage angulaire assure le positionnement de l'empilement par rapport au manchon. - Après l'étape e) et avant l'étape f), une étape supplémentaire g) de 10 rectification des diamètres externes et internes du stator est effectuée. - Le manchon est obtenu par empilement de bagues. -L'empilement de bagues constitutives du manchon est effectuée indépendamment des étapes a) à f). L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront 15 plus clairement à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins suivants dans lesquels: - La figure 1 est une vue en perspective d'un moteur brushless conforme à un mode de réalisation de l'invention, 20 - la figure 2 est une vue en coupe transversale, selon Il-Il du moteur de la figure 1, sans le stator et à une autre échelle, - la figure 3 est une vue en perspective, à une autre échelle, du manchon constitutif du stator du moteur de la figure 1, - la figure 4 est une vue en perspective, à plus grande échelle, d'une bague formant par 25 empilement la partie active constitutive du stator du moteur de la figure 1, - la figure 5 est une vue de face d'une bague similaire à celle de la figure 4, à plus grande échelle, selon un autre mode de réalisation et 7 - la figure 6 est une vue en section transversale, simplifiée, à une autre échelle, d'un moteur brushless sans le rotor avec la bague de la figure 5 insérée dans le manchon de la figure 3. La figure 1 illustre un moteur à courant continu sans balais 1 communément 5 désigné par l'appellation « moteur brushless ». Un tel moteur est réalisé en matériau métallique et/ou composites au moins pour la partie active. Le reste du moteur, typiquement les éléments constitutifs de l'habillage externe, peuvent être en matériaux composites ou en polymères. Ici, le moteur 1 est un moteur conforme à un mode de réalisation de l'invention 10 dans lequel un rotor 2 est inséré dans un stator 3. Un manchon externe 4 entoure la partie active du stator 3 et définit la paroi extérieure du moteur 1. Un tel moteur 1 est utilisé dans divers domaines techniques, par exemple dans l'industrie aéronautique, spatiale, médicale, automobile, navale, agroalimentaire ou autre pour actionner un organe mobile soit en rotation soit en translation. Ici, un arbre d'entrainement en rotation 15 5 est directement fixé sur une extrémité du rotor 2 et prolonge ce dernier. Le rotor 2 est pourvu sur sa face externe d'au moins deux aimants permanents. Les aimants sont, par exemple, collés sur la face externe, un pont de colle étant ménagé entre deux aimants voisins. Les aimants s'étendent sur toute la longueur du rotor 2. Les aimants, dont le nombre est adapté au dimensionnement du rotor et du moteur, sont 20 disposés de sorte que les pôles nord et sud de deux aimants voisins soient alternativement orientés vers l'extérieur et vers l'intérieur du rotor 2. Dans un mode de réalisation non illustré le rotor 2 est creux. En variante, comme illustré à la figure 2, le rotor 2 est plein. Les aimants, sous l'action du champ magnétique généré par le stator 3 assure la rotation du rotor 2 et donc de l'arbre 5. 25 La figure 3 illustre le manchon externe 4 assurant la protection des parties actives du stator 3, et donc du rotor lorsque ce dernier est introduit dans la lumière du stator. Le manchon 4 présente une face externe 7 plane et unie. En variante, elle est d'un aspect différent et/ou elle comporte un marquage informatif. La face intérieure 6 du manchon 4 comprend des rainures longitudinales 8 ou lamages, à fond arrondi, 8 s'étendant sur toute la longueur de la face 6 du manchon 4. Le manchon 4 est également pourvu, sur l'extérieur d'une de ses extrémités d'au moins un ergot 9 et d'au moins une encoche 10 définissant un organe d'indexation et de guidage lors du positionnement du manchon 4 sur la partie active du stator 3. 5 De plus, sur le manchon 4, une zone de déformation est prévue. En l'espèce elle est formée par une pluralité de découpes 11 ménagées dans l'épaisseur de la paroi 12 du manchon 4. Cette zone de déformation est adaptée pour absorber la déformation de la partie active du stator 3 en forme d'étoile, inséré dans le manchon et ainsi maintenir la circularité extérieure du manchon 4. 10 La partie active du stator 3 est la partie du stator 3 pourvue du bobinage et générant le champ magnétique. La partie active du stator est formée par les parties actives des bagues 15 constitutives par empilement du stator. Une telle partie active est, par analogie à la figure 4, cylindrique, creuse et à base circulaire. La lumière interne 14 de chaque bague 15 est de dimensions et de forme adaptées pour loger une portion du 15 rotor 2 tout en assurant sa libre rotation, cela avec un minimum de frottements. Plusieurs cloisons 16 s'étendent radialement vers l'extérieur de chaque bague 15 à partir du corps annulaire 17 de la bague 15. Ces cloisons 16 sont configurées en patte rectangulaire et plate. Les cloisons 16 ont une longueur égale à la longueur L de la bague 15 et sont parallèles à cette longueur. Les cloisons 16 sont régulièrement 20 disposées sur le corps annulaire 17. Ici l'espace entre deux cloisons 16 voisines est constant. Comme cela apparaitra plus clairement à la figure 6, deux cloisons voisines sont ainsi reliées par une paroi formée par une portion du corps annulaire. On définit ainsi entre les cloisons et la portion du corps annulaire une portion du volume de réception du bobinage. 25 Entre deux cloisons 16 voisines, une rainure longitudinale 18 est ménagée, sur la face intérieure 21 du corps annulaire 17. Cette rainure 18 a son ouverture orientée vers l'intérieur du corps 17. Un rainurage ou lamage 19 est positionné sur la face externe 20 du corps annulaire 17, en face de la rainure 18. On réalise par la rainure 18 et le lamage 19 une zone de moindre épaisseur. 9 Comme cela ressort de la figure 4, les rainures 18 et le lamagel9 sont régulièrement répartis sur le corps 17, cela sur toute la longueur L de la bague 15. Les rainures 18 et le lamage 19 sont réalisés par enlèvement de matière sur le corps 17. Cette diminution de l'épaisseur nominale du corps 17 dans une zone donnée, donc une 5 fois les bagues 15 empilées une diminution de la partie active du stator 3, induit une restriction magnétique. La figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'une bague 150 similaire à la bague 15. Ici, seules sont présentes des rainures 180, le rainurage ou lamage sur la face externe du corps 170 est absent. Dans tous les cas, les rainures 180 assurent, comme 10 les rainures 18, une diminution de l'épaisseur de la partie active du stator lorsque les bagues 150 sont empilées, et donc définissent une zone de restriction magnétique. Dans un autre mode de réalisation non illustrée, l'empilement est effectué à partir de bagues équivalentes, par exemple, aux caractéristiques combinées d'une bague 15 et 150. 15 Comme cela ressort de la figure 6, lorsque le stator 3 est monté, donc lorsque la partie active est bobinée et qu'elle est insérée dans le manchon 4, les rainures 180 se trouvent sensiblement en position centrale entre deux cloisons 160 voisines, le bobinage, non illustré, étant en place. Comme cela apparait à la figure 6, la présence de rainures 180, du fait de la quantité moindre de matériau magnétique à cet endroit, dirige le champ 20 magnétique de sorte que celui-ci ne passe pas directement d'une cloison 160 à une autre mais effectue un circuit par un des aimants du rotor, ce dernier étant introduit dans le volume V défini pour la lumière des bagues 150 empilées. Il y a alors un entrainement en rotation du rotor, ses aimants cherchant à s'aligner sur le champ magnétique. Du fait de la présence des rainures 180, donc de la zone de restriction magnétique sur 25 l'ensemble de la circonférence du corps 170, on induit un circuit régulier et constant qui permet d'éviter le cogging. Par ailleurs, la présence de découpes 11 dans le manchon 4 assure une configuration parfaitement circulaire de l'intérieur du manchon, donc évite toute déformation des bagues empilées, en particulier au niveau des cloisons. Cela participe également à assurer une rotation régulière du rotor. 10 On conçoit que le fonctionnement est identique avec les bagues 15 empilées selon le mode de réalisation représenté à la figure 4. En variante, dans un autre mode de réalisation, la zone de restriction magnétique est obtenue par un changement de matériau. Typiquement, on utilise un ou des 5 matériaux dont la conductivité magnétique est plus faible que celle du reste du corps 17 ; 170 et des cloisons 16 ; 160. On peut également utiliser des matériaux amagnétiques. Par ailleurs, les rainures 18 ; 180 permettent, du fait du procédé de réalisation du stator 3, de réaliser un ajustement précis, avec un contact optimal entre les pièces pour assurer la conductivité thermique et magnétique, cela sans déformation des pièces 10 constitutives. Le montage d'un tel moteur est maintenant décrit en référence aux diverses figures. Pour cela, on effectue en premier un empilement des bagues 15 ; 150 constitutives de la partie active du stator 3. Ces bagues 15 ; 150 ont été préalablement usinées et configurées, selon la section transversale du stator à obtenir. Le nombre de 15 bagues à empiler est fonction de la longueur voulue du stator 3. Une fois l'empilement réalisé, on effectue le bobinage en enroulant le fil de cuivre autour des cloisons 16 ; 160 à partir de la zone ouverte. Un tel bobinage est aisé à réaliser, aucun obstacle ne gênant la manipulation. Une fois le bobinage effectué, on réalise un empilement de bagues circulaires, non 20 illustrées, constitutives du manchon 4. On conçoit que l'empilement du manchon est indépendant du reste du procédé et qu'il peut, avantageusement, être effectué en un autre lieu et /ou un autre moment que simultanément au bobinage. En d'autres termes, il est possible de réaliser le manchon 4 par empilement d'un nombre de bagues défini selon la longueur du manchon à obtenir de manière indépendante du montage de la 25 partie active et du bobinage. On conçoit que lorsque le bobinage est effectué il est intéressant de fermer rapidement les volumes recevant les bobines en mettant en place l'empilement de bagues constitutives du manchon. On insère ensuite la partie active obtenue précédemment dans le manchon 4 par la technique du frettage. Pour mémoire, on désigne par frettage l'assemblage de 11 deux pièces avec un ajustement serré. L'assemblage est effectué par chauffage de la pièce extérieure ou frette, ce qui permet d'introduire la pièce à fretter, froide, dans la frette ou dans un logement prévu dans la frette. L'ajustement entre les pièces se fait par refroidissement des pièces à une même température. Une telle technique permet un 5 ajustement homogène et similaire en tout point de la zone d'assemblage des pièces entre elles. Le positionnement des pièces lors du frettage est facilité par la présence des ergots 9 et encoches 10 qui permettent une position indexée des pièces. Les rainures 18 ; 180 permettent également, lors de variations de température 10 des pièces de chaque bague 15 ; 150 de se déformer, et donc de s'ajuster, indépendamment les unes des autres, cela de façon élastique. Les zones de déformation 11 du manchon 4 évoquées précédemment participent également à définir un comportement élastique du manchon 4. Il en résulte des contraintes et déformations réduites sur l'ensemble du stator 3. 15 On finalise le montage du moteur en mettant en forme les portions de fils cuivre du bobinage apparaissant sur les extrémités. Cette étape est connue sous la dénomination de réalisation des chignons. Une étape finale consiste à surmouler l'ensemble REVENDICATIONS1.- Moteur à courant continu sans balais (1), comprenant un rotor (2) composé d'au moins un aimant permanent, et un stator (3) comportant au moins trois cloisons (16 ; 160) s'étendant radialement à partir d'un corps principal cylindrique à base circulaire (17 ; 170), lesdites cloisons (16 ; 160) définissant entre elles au moins deux volumes de réception d'au moins trois bobines générant un champ magnétique, caractérisé en ce que chaque volume est fermé par une paroi (17 ; 170) reliant lesdites cloisons (16 ; 160) et en ce que ladite paroi comporte, sur sa face orientée vers le rotor (2), au moins une zone de restriction magnétique. 2.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de restriction magnétique est formée par au moins une zone (18, 19 ; 180) de moindre épaisseur de la paroi (17 ; 170). 3.- Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone de moindre épaisseur est définie par un lamage (19) ou une rainure (18 ; 180) ménagé(e) dans la paroi (17 ; 170). 4.- Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone de restriction magnétique est formée par au moins une portion de paroi en au moins un matériau peu magnétique ou amagnétique. 5.- Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un manchon (4) entoure le stator (3) et le rotor (2) et en ce que ledit manchon (4) comprend au moins une zone de déformation (11) adaptée pour maintenir la configuration géométrique externe du manchon (4) lors du montage des éléments constitutifs du moteur (1). 6.- Procédé de fabrication d'un moteur conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes : - a) empilement de bagues métalliques (15 ; 150) préalablement usinées et configurées selon la section transversale du stator (3) avec des cloisons (16 ; 160) 13 délimitant des volumes ouverts de réception des bobines, l'empilement étant effectué sur une hauteur correspondant à la longueur voulue du stator (3), - b) bobinage des fils de cuivre autour des cloisons (16 ; 160) sur l'empilement obtenu à l'étape a), 5 - c) montage par la technique du frettage de l'empilement obtenu à l'étape b) dans un manchon (4), - d) insertion du rotor (2) dans le volume de réception du stator (3), - e) formage de la partie des fils de cuivre apparent sur les extrémités ou chignon, - f) surmoulage final des éléments du moteur par de la résine. 10 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lors de l'étape c) de frettage, un indexage angulaire assure le positionnement de l'empilement par rapport au manchon (4). 8.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'après l'étape e) et avant l'étape f), une étape supplémentaire g) de rectification des diamètres externes et internes 15 du stator est effectuée. 9.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le manchon (4) est obtenu par empilement de bagues. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'empilement de bagues constitutives du manchon (4) est effectuée indépendamment des étapes a) à f). 20 25