Brevet FR3145246A1 — publié le 20240726

L’invention concerne un moteur électrique (50, 50a) pour bicyclette à assistance électrique comportant : - un stator et un rotor ; - un axe creux dans le rotor ; - une pluralité de paires de pôles magnétiques (44) ou de créneaux (44’) en matériau magnétique, fixés à la périphérie du creux de l’arbre et au moins un détecteur (34, 34a) pour identifier le passage desdits pôles magnétiques lors d’une rotation du rotor. Figure 2A Moteur de bicyclette à assistance électrique comportant un rotor creux avec capteur intégré DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L’invention concerne le domaine des moteurs électriques pour les bicyclettes à assistance électrique. Un tel moteur comporte un stator et un rotor et on cherche à avoir une mesure de la position du rotor dans le stator. Les variations de position permettent, avec une mesure du temps, de calculer la vitesse du vélo. Généralement, dans le cas d’une motorisation pour le vélo électrique, une solution standard de capteur de position augmente la longueur entre les deux pédales, ce qui n’est pas acceptable. Il se pose le problème de trouver un nouveau système de mesure de position du rotor. Il se pose également le problème de trouver un système de mesure de position du rotor plus simple et moins encombrant pour pouvoir mesurer la position du rotor. L’invention concerne d'abord un moteur pour bicyclette à assistance électrique comportant : - un rotor et un stator ; - un axe ou un arbre creux ou d’intérieur creux qui traverse le rotor ; - au moins une partie d’un capteur de position dans ledit axe intérieur creux. Par exemple, une pluralité de paires de pôles magnétiques ou une pluralité de créneaux en matériau magnétique sont fixés dans ou à l’intérieur ou à la périphérie du creux dudit axe, et au moins un détecteur permet d’identifier le passage desdits pôles magnétiques ou desdits créneaux magnétiques lors d’une rotation du rotor ou de l’axe . Selon l’invention, on utilise un axe ou un arbre creux du rotor pour intégrer au moins une partie d’un capteur de position afin de rendre l’ensemble le plus compact possible. L’invention permet d’intégrer directement au moins une partie d’un capteur, par exemple une pluralité de zones (pôles ou de créneaux) magnétiques, dans le creux du rotor d’un moteur et donc de créer un ensemble moteur instrumenté de son capteur de position. Le rotor comporte un arbre ou un axe intérieur qui est creux et dans lequel, selon une réalisation de l’invention, est insérée une pluralité de paires de pôles ou de créneaux magnétiques, solidaires du rotor ou de l’axe. Des moyens de mesure de champ magnétique permettent d’identifier la position du rotor. On peut donc récupérer l’information de position dans un volume restreint (le creux de l’axe du rotor) et on dispose au moins une partie du capteur de position dans ce volume restreint. Dans un moteur électrique selon l’invention, les pôles ou les créneaux magnétiques peuvent être fixés sur et/ou dans une bague ou un cylindre inséré(e) dans le creux de l’axe. Cette bague ou ce cylindre peut être en un matériau amagnétique, par exemple en matériau plastique. Au moins un détecteur peut être situé en face de, ou face à, la périphérie latérale et/ou à l’extrémité du rotor ou est situé dans le creux. Dans le cas d’une pluralité de paires de pôles magnétiques, ceux-ci peuvent être réalisés en ferrite. Cette pluralité de paires de pôles magnétiques peut former un réseau de type Hallbach. Dans un moteur électrique selon l’invention, du type comportant une pluralité de paires de pôles magnétiques, les pôles magnétiques successifs peuvent avoir des aimantations opposées, suivant l’axe Z qui est parallèle à l’axe de rotation du rotor ou suivant un axe perpendiculaire audit axe. Dans un moteur électrique selon l’invention, du type comportant des pôles magnétiques, au moins un détecteur peut être de type Hall ou de type magnéto-résistif. Dans un moteur électrique selon l’invention, du type comportant des créneaux magnétiques, au moins un détecteur peut être de type inductif. Quelle que soit la réalisation, au moins un détecteur peut être fixé sur un support relié au stator ou à une partie fixe du moteur, par exemple une carte électronique. Dans un moteur électrique selon l’invention, le stator peut comporter une pluralité d’aimants, au moins un cylindre, de préférence en un matériau amagnétique, formant un écran entre cette pluralité d’aimants et la pluralité de paires de pôles ou de créneaux magnétiques fixés à la périphérie du creux de l’arbre. Ainsi, la mesure de position réalisée dans le rotor n’est pas perturbée par la présence des aimants à forts champs magnétiques du stator du moteur. Un moteur électrique selon l’invention peut en outre comporter, ou être associé à, des moyens adaptés ou programmés pour estimer ou calculer la position du rotor et/ou la vitesse de rotation de celui-ci, à partir des mesures du détecteur. L’invention concerne également une unité d’assistance électrique pour une bicyclette, comportant un 1er moteur électrique selon l’invention, tel que décrit ci-dessus ou dans la suite de la présente demande, un 2e moteur électrique, traversé par le moyeu d’un pédalier, et des moyens de transmission entre le 1 er moteur électrique et le 2 e moteur électrique. L’invention concerne également une bicyclette à assistance électrique comportant un moteur électrique ou une unité d’assistance électrique tel(le) que décrit(e) ci-dessus ou dans la suite de la présente demande. L’invention concerne également un procédé de réalisation d’une unité d’assistance électrique pour bicyclette à assistance électrique, cette unité comportant un moteur électrique dans un carter, ce moteur comportant un stator et un rotor comportant un axe creux, ce procédé comportant le positionnement d’au moins une partie d’un capteur de position dans ledit axe creux. Par exemple, on réalise et/ou on positionne une pluralité de paires de pôles magnétiques ou de créneaux en matériau magnétique dans et/ou à l’intérieur et/ou à la périphérie du creux de l’axe et on positionne au moins un détecteur pour identifier le passage desdits pôles magnétiques ou desdits créneaux magnétiques lors d’une rotation du rotor ou de l’axe. Des pôles magnétiques peuvent être : - fixés sur ou dans une bague ou un cylindre, qui est ensuite inséré(e) dans le creux de l’axe ou de l’arbre ; - et/ou réalisés par injection bi-matière sur ou dans la bague ou le cylindre, qui est ensuite inséré(e) dans le creux de l’axe ou de l’arbre ; - et/ou aimantés pendant l’injection bi-matière. Les pôles ou les créneaux magnétiques peuvent être fixés sur ou dans une bague ou un cylindre, par exemple en matériau amagnétique, qui est ensuite inséré(e) dans le creux de l’axe ou de l’arbre ou qui est préalablement installée ou réalisée dans le creux de l’arbre ou de l’axe. Une pluralité de créneaux magnétiques peut être réalisée par exemple par un procédé de frappe ou de poinçonnage de tôles magnétiques ou ferromagnétiques puis en mettant en œuvre un procédé d’assemblage des tôles entre elles. Un exemple de réalisation de l’invention sera maintenant décrit en référence aux dessins annexés dans lesquels ; La représente un exemple d'un mode de réalisation d'une bicyclette à laquelle l'invention peut être appliquée, La représente une vue d’une réalisation particulière d'une partie d’un moteur pour bicyclette à assistance électrique selon l'invention, avec un capteur magnétique. La représente une vue d’une autre réalisation particulière d'une partie d’un moteur pour bicyclette à assistance électrique selon l'invention, également avec un capteur magnétique. La représente une vue d’une réalisation particulière d'une partie d’un moteur pour bicyclette à assistance électrique selon l'invention, avec un capteur inductif. La représente une vue d’une autre réalisation particulière d'une partie d’un moteur pour bicyclette à assistance électrique selon l'invention, également avec un capteur inductif. La représente un exemple d'un l’ensemble comportant un moteur électrique, un pédalier, et des moyens de transmission du moteur électrique au pédalier. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION La représente un exemple d'un mode de réalisation d'une bicyclette à laquelle l'invention peut être appliquée. Cette bicyclette 10 comporte, de manière connue, un cadre 16 (composé de plusieurs tubes assemblés), une roue avant 4, une roue arrière 6, un guidon 8 relié à la roue avant par une fourche 12, une selle 14. Un pédalier comporte deux pédales 22, 24, reliées par des manivelles 22’, 24’ à un axe qui pénètre dans un boîtier. L’action du cycliste sur le pédalier entraîne une chaîne 28. S'agissant d'une bicyclette à assistance électrique, un moteur électrique est hébergé dans un carter 20 traversée par le boîtier qui héberge l’axe du pédalier. Le carter 20 peut contenir également un système 40 de commande (en traits interrompus en ), qui permet de commander l'assistance fournie au cycliste par le moteur électrique. La référence 32 désigne une batterie électrique. Les figures 2A et 2B représentent une vue d’une partie d’un moteur électrique selon un mode de réalisation de l'invention pour une bicyclette à assistance électrique. Il comporte une partie formant stator, munie d’une pluralité d’aimants 42. Ces éléments interagissent avec des aimants 42a, disposés à la périphérie du rotor, lequel comporte un axe creux 38, dans lequel de se trouve un axe mécanique creux 36, ce dernier étant de préférence en un matériau amagnétique, et une bague ou un cylindre 30, par exemple en matériau plastique (matériau qui est amagnétique) ou en tout autre matériau amagnétique, pourvue d’une alternance de zones aimantées 44 comportant plusieurs pôles. L’intérêt du matériau plastique est qu’il permet de réaliser une injection en une seule fois, à savoir la partie plastique amagnétique puis les zones aimantées 44 injectées par-dessus. Comme déjà mentionné ci-dessus, la bague 30 qui porte les aimants 44 est de préférence entourée d’une partie amagnétique 36. On évite ainsi les interactions entre les éléments à fort champ magnétique du moteur qui pourraient perturber la mesure de position. L’axe 38 du rotor correspond à la partie feuilletée ferromagnétique qui sert à la transmission de l’induction magnétique des aimants principaux 42 (ceux du moteur). L’axe mécanique 36 correspond à l’axe creux sur lequel vient se monter l’axe du rotor. Comme déjà indiqué ci-dessus, cet axe mécanique 36 est de préférence en un matériau amagnétique et peut-être choisi pour ses propriétés mécaniques en vue de la transmission de puissance mécanique. Dans l’exemple qui est illustré sur ces figures 2A et 2B, il y a 36 pôles, donc 18 paires de pôles (ce qui est compatible avec la taille d’un capteur 34, 34a du commerce), mais un autre nombre est possible. Le nombre de paires de pôles joue sur la précision : plus ce nombre est grand, plus le découpage de la périphérie, sur 360°, en portions alternées NORD / SUD est grand, donc plus il y a un rafraichissement de la position mesurée du rotor. Cependant il y a une limite physique de par la taille du capteur 34, 34a, que l’on cherche de préférence à se procurer dans le commerce, et qui a souvent une taille de l’ordre de quelque mm. On cherche donc à avoir un nombre de paires de pôles qui soit compatible avec la taille du capteur, sinon on pourrait être dans une situation où celui-ci capterait la présence de plusieurs pôles à la fois. Un nombre de paires de pôles compris entre 10 et 25 est bien compatible avec les tailles de capteurs du commerce. Dans la réalisation de la , l’aimantation des aimants 44 est alternative, suivant l’axe Z qui est parallèle à l’axe de rotation du rotor. L’avantage de cette orientation de l’aimantation et qu’elle permet d’avoir un champ magnétique totalement indépendant des perturbations possibles à l’extérieur (en effet le champ des aimants principaux du moteur est dans le sens axial). Dans la réalisation de la , l’aimantation des aimants 44 est radiale, perpendiculaire à l’axe Z . L’avantage de cette solution avec l’aimantation radiale (vers le centre du rotor) est qu’elle est plus facilement réalisable en fabrication (en effet, la bobine qui vient créer les pôles des aimants est montée sur le même axe de rotation que la bague, la machine d’aimantation sera donc plus compacte). Dans les 2 cas, au moins un capteur de position 34, 34a permet d’identifier la position relative du rotor, par détection de l’alternance des pôles NORD et des pôles SUD de la bague aimantée. Ce capteur est par exemple un capteur électronique de mesure du champ magnétique, par exemple un capteur de Hall ou d’un capteur magnéto-résistif, ces 2 types de capteurs pouvant fonctionner en combinaison avec une bague aimantée. De préférence, la mesure faite par le capteur 34, 34a n’est pas perturbée par les éléments 42a du rotor (aimants à champ fort) du fait de l’isolation fournie par l’axe 38 du rotor et par l’axe mécanique 36 et par exemple par la partie plastique 30 de la bague ou du cylindre qui porte les zones aimantées 44. De préférence encore, l’axe 36 est en matériau amagnétique ou ayant une faible magnétisation ; il est par exemple en acier austénitique pour lesquels la magnétisation sous écrouissage est minimale. Chaque capteur 34, 34a est porté par un bras 35, 35a, lequel peut comporter des moyens pour transmettre les signaux en provenance du capteur 34, 34a. ce bras peut par exemple comporter, ou être constitué par, un circuit imprimé (« PCB »). Dans le cas de la , le bras 35 s’étend à la verticale, selon l’axe Y (mais il pourrait s’étendre selon tout autre axe perpendiculaire à l’axe Z). La sonde est alors positionnée le long d’un bord de la bague 30, à l’extérieur de celle-ci. Le bras 35 est par exemple relié au stator et/ou connecté sur le plastique du bobinage du moteur. Il peut être intégré dans le surmoulage des parties plastiques du stator. Dans le cas de la , le bras 35a s’étend de manière parallèle à l’axe Z, ce qui permet de positionner la sonde 34a à l’intérieur de l’arbre creux. Le bras 35a est par exemple relié au carter fixe (par un moyen de fixation, par exemple par vissage) et/ou à une carte électronique latérale (non représenté sur la ) qui s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe Z. Sur chacune des figures 2A et 2B, un seul capteur est représenté. Mais il est possible d’en disposer une pluralité face à la périphérie du rotor (comme en ) ou dans celui-ci (comme en ). Par exemple on dispose 3 capteurs, par exemple à 120° l’un de l’autre, chaque capteur pouvant être porté par un bras, identique ou similaire aux bras 35, 35a décrits ci-dessus. Les pôles 44 peuvent être injectés sur ou dans l’anneau 30 qui vient se loger dans l’arbre creux du rotor. Ces pôles sont réalisés par exemple en ferrite. De préférence cet ensemble des pôles forme un système d’aimants de type Hallbach, ce qui permet de concentrer l’induction magnétique vers le centre du moteur. L’ensemble peut être injecté sur ou dans du plastique ; on peut faire la pièce par une injection bi-matière, la zone aimantée (par exemple : en ferrite) étant aimantée dans le moule d’injection, pendant l’injection. L’ensemble comportant la bague aimantée 44 et la bague, par exemple en matériau plastique, 30 peut être fixé, par exemple clipsé ou collé, dans l’axe rotor 36. Les figures 3A et 3B représentent une vue d’une partie d’un moteur électrique selon un autre mode de réalisation de l'invention pour une bicyclette à assistance électrique, avec un autre capteur 34’, 34’a qui est de type inductif, par exemple un capteur inductif de chez Rechner Sensors. La bague ou le cylindre 30, par exemple en matériau plastique (matériau qui est amagnétique) ou en tout autre matériau amagnétique, est ici pourvue d’une roue 44’ crantée ou munie de créneaux, cette roue étant réalisée en un matériau magnétique. Cette roue comporte par exemple un empilement de tôles de Fer Nickel 50 (donc un matériau ferromagnétique de forte perméabilité magnétique) qui conduit le champ magnétique. Mais il n’y a pas d’aimantation magnétique dans cette roue dentée : le capteur inductif se charge de voir les différences de réluctances magnétiques grâce à l’alternance de la roue dentée (matériau magnétique (par exemple fer) /air). Là encore, cette roue est, de préférence, séparée de l’axe du rotor par un élément, par exemple la bague ou le cylindre 30, en matériau amagnétique, par exemple en plastique. Le capteur 34’, 34’a mesure alternativement la présence puis l’absence d’un créneau en matériau magnétique. On retrouve les 2 positionnements possibles du capteur, sur un bras 35 (capteur 34’, ) qui s’étend selon l’axe Y (ou selon tout autre axe perpendiculaire à l’axe Z) ou sur un bras 35a (capteur 34’a, ) qui s’étend selon l’axe Z. Chacun de ces bras peut être relié et/ou intégré comme déjà expliqué ci-dessus. Les autres aspects, déjà décrits ci-dessus, s’appliquent au mode de réalisation de ces figures 3A et 3B. Des références identiques à celles des figures 2A et 2B y désignent des éléments techniques identiques ou correspondants. La bague dentée 44’ et la bague en plastique 30 sont deux pièces distinctes. La bague plastique 30 peut être réalisée par injection. La roue magnétique (ou bague dentée) peut être réalisée par un procédé de frappe ou de poinçonnage de tôles magnétiques (en Fer Nickel 50 par exemple) ou ferromagnétiques puis en mettant en œuvre un procédé d’assemblage des tôles entre elles, par exemple par collage ou par agraphe. La bague en plastique 30 peut être collée dans l’axe rotor 36 ou alors directement surmoulée dans l’axe rotor 36. La bague dentée 44’ peut être collé sur la bague en plastique 30 ou alors clipsée dans la bague en plastique 30. En variante, la bague en plastique peut être surmoulée sur la bague dentée 44’. L’ensemble peut être ensuite collé dans l’axe rotor 36 ou alors clipsé dans l’axe rotor 36. Là encore, un nombre de créneaux (présence de matériau magnétique) compris entre 10 et 25 est bien compatible avec les tailles de capteurs du commerce. Les 2 solutions proposées ci-dessus (figures 2A, 2B d’une part, figures 3A, 3B d’autre part) assurent le même type de résultat avec la même précision angulaire. Quel que soit le mode de réalisation retenu, les signaux du capteur peuvent être ensuite transmis à une unité de calcul (par exemple dans les moyens ou le système 40) du système d’assistance électrique de la bicyclette, cette unité étant programmée pour estimer ou calculer la position du rotor ; elle peut également, à partir de ce résultat, calculer ou estimer une vitesse de déplacement de la bicyclette. Quel que soit le mode de réalisation retenu, le rotor est inséré dans le stator et son capteur 34, 34a, 34’, 34’a est positionné de la manière décrite ci-dessus, à l’intérieur de l’axe creux 36. L’ensemble forme un moteur électrique 50, 50a, dont le mouvement peut être transmis par un réducteur comportant une série de pignons au pédalier de la bicyclette. La est une représentation schématique de l’ensemble, comportant le moteur électrique 50, 50a et les moyens de transmission 52 (comportant une série de pignons) au moteur 60 associé au pédalier 22, 22’, 24, 24’. Moteur électrique (50, 50a) pour bicyclette à assistance électrique comportant : - un stator (42) et un rotor ; - un axe creux (36) dans le rotor ; - une pluralité de paires de pôles magnétiques (44) ou de créneaux (44’) en matériau magnétique, fixés à la périphérie du creux dudit axe (36) et au moins un détecteur (34, 34a, 34’, 34’a) pour identifier le passage desdits pôles ou créneaux magnétiques lors d’une rotation du rotor. Moteur électrique selon la revendication 1, les pôles ou les créneaux magnétiques étant fixés sur ou dans une bague ou un cylindre (30) insérée dans le creux de l’axe. Moteur électrique selon la revendication 2, ladite bague ou ledit cylindre (30) étant en un matériau amagnétique. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 3, au moins un détecteur (34, 34’) étant situé en, ou face à la, périphérie du rotor. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 3, au moins un détecteur (34a, 34’a) étant situé dans le creux dudit axe. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 5, comportant une pluralité de paires de pôles magnétiques, au moins un détecteur (34, 34a) étant de type Hall ou de type magnéto-résistif. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 6, comportant une pluralité de paires de pôles magnétiques (44), lesquels sont en ferrite. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 7, comportant une pluralité de paires de pôles magnétiques (44), formant un réseau de Hallbach. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 8, comportant une pluralité de paires de pôles magnétiques, des pôles magnétiques (44) successifs ayant des aimantations opposées, suivant l’axe Z qui est parallèle audit axe. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 8, comportant une pluralité de paires de pôles magnétiques, des pôles magnétiques (44) successifs ayant des aimantations opposées, suivant un axe perpendiculaire audit axe. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 5, comportant une pluralité de créneaux magnétiques, au moins un détecteur (34’, 34’a) étant de type inductif. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 11, au moins un détecteur (34, 34a, 34’, 34’a) étant fixé sur un support (35, 35a) relié au stator ou à une partie fixe du moteur, par exemple une carte électronique. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 12, le stator comportant une pluralité d’aimants (42, 42a), au moins un cylindre (36) formant un écran entre cette pluralité d’aimants (42, 42a) et la pluralité de paires de pôles ou de créneaux magnétiques (44) fixés à la périphérie du creux de l’arbre. Moteur électrique selon la revendication 13, ledit cylindre (36) étant en un matériau amagnétique. Moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 14, comportant en outre des moyens (40) adaptés ou programmés pour estimer ou calculer la position et/ou la vitesse de rotation du rotor à partir des mesures du détecteur (34, 34a). Unité d’assistance électrique pour une bicyclette, comportant un 1er moteur électrique (50, 50a) selon l’une des revendications 1 à 15, un 2e moteur électrique (60), traversé par le moyeu d’un pédalier, et des moyens (52) de transmission entre le 1 er moteur électrique et le 2 e moteur électrique. Bicyclette à assistance électrique comportant un moteur électrique selon l’une des revendications 1 à 15 ou une unité d’assistance électrique selon la revendication 16. Procédé de réalisation d’une unité d’assistance électrique pour bicyclette à assistance électrique, cette unité comportant un moteur électrique dans un carter (20), ce moteur comportant un stator et un rotor comportant un axe creux ; ce procédé comportant : la réalisation d’une pluralité de paires de pôles magnétiques (44) ou de créneaux (44’) en matériau magnétique, à la périphérie du creux dudit axe et le positionnement d’au moins un détecteur (34, 34a, 34’, 34’a) pour identifier le passage desdits pôles ou desdits créneaux (44’) magnétiques lors d’une rotation du rotor. Procédé selon la revendication 18, les pôles ou les créneaux magnétiques étant fixés sur ou dans une bague ou un cylindre (30), par exemple en matériau amagnétique, qui est ensuite insérée dans le creux de l’arbre ou qui est préalablement installée ou réalisée dans le creux de l’arbre. Procédé selon la revendication 19, comportant la réalisation d’une pluralité de paires de pôles magnétiques par injection bi-matière sur ou dans la bague ou le cylindre (30), qui est ensuite inséré(e) dans le creux de l’arbre. Procédé selon la revendication 20, les pôles magnétiques étant aimantés pendant l’injection bi-matière. Procédé selon la revendication 19, comportant la réalisation d’une pluralité de paires de créneaux magnétiques par poinçonnage puis assemblage de tôles magnétiques ou ferromagnétiques.