MOTEUR MONOPHASE A ROTOR AIMANTE

MOTEUR MONOPHASE A ROTOR AIMANTE

Cette invention se rapporte au moteur monophasé à rotor aimanté . Il existe différents types de moteurs à rotor aimanté .

Il existe en outre différents moteurs du même type que celui selon l'invention. Par même type , on veut dire que le moteur comporte un ro¬ tor dont les axes de magnétisation sont parallèles à l'axe de rotation du rotor . Toutefois , les moteurs existants de ce type présentent des défauts au niveau de la conception de leur structure , qui pénalisent en particu¬ lier leur rendement . Cela apparaîtra clairement plus loin sur la base du schéma équivalent du moteur selon la présente invention .

L'invention a pour but la conception d'un moteur électrique de rendement optimum dans un encombrement donné , utilisant des matériaux existants et fabricable par des procédés industriels .

Un autre but de l'invention est la conception d'un moteur dont la gamme des puissances puisse être très étendue , sans modification de la conception du moteur .

Un autre but de la présente invention est la conception d'un mo¬ teur dont le nombre de pas par tour puisse être très étendu , sans modi¬ fication de la conception du moteur.

Il apparaîtra que la structure du moteur faisant l'objet de l'inven- tion peut être adaptée au fonctionnement en mode pas à pas ou en mode continu , habituellement appelé synchrone .

FEUILLE DE REMPLACEMENT

La puissance peut être typiquement de lOOyW pour les faibles puissances et peut être étendue à des puissances beaucoup plus élevées , sans modification de la conception du moteur.

Le domaine d'application du moteur de la présente invention est donc très vaste.

On peut mentionner: l'instrumentation médicale, y compris les systèmes implémen tables dans le corps humain, les systèmes d'entraînement pour l'industrie aéronautique et spatiale, la bureautique , la robotique, l'appareillage photographique, les garde-temps , etc.

Plus généralement, le moteur selon la présente invention fonction¬ nant en mode pas à pas est adapté à tous les systèmes utilisant la tech¬ nique digitale, et plus particulièrement à tous ceux où les critères d'en- combrement, de rendement et de puissance sont déterminants .

L'invention a pour objet un moteur monophasé qui se caractérise par la structure décrite dans la revendication 1 et , accessoirement, la re¬ vendication 9 , lui permettant d'être adapté aux modes de fonctionnement mentionnés dans les revendications 2 , 3 et 4 , en mettant en oeuvre les moyens mentionnés dans les reyendications 5 , 6 , 7 et 8.

Deux variantes relatives au bobinage sont mentionnées dans les revendications 10 et 11.

. La Fig . 1 représente une vue de dessus simplifiée du moteur se¬ lon l'invention.

La Fig . 2 représente une vue éclatée simplifiée du moteur, illus-

OMPI

FEUILLE D trant sa structure .

La Fig . 3 représente une coupe latérale simplifiée du moteur , il¬ lustrant le principe de positionnement du moteur .

La Fig . 4 représente une coupe simplifiée du moteur, illustrant le principe de montage du rotor.

La Fig . 5 représente l'asymétrie d'un pôle d'une pièce polaire .

La Fig . 6 est un déroulement linéaire du moteur, illustrant son principe de fonctionnement .

Les Fig . 7a , 7b et 7c représentent l'allure des couples , de posi- tionnement et mutuel, ainsi que les impulsions de tension à appliquer à la bobine , lorsque le moteur est adapté au mode de fonctionnement pas à pas bipolaire .

Les Fig . 8a et 8b représentent l' allure des couples , de position - nement et mutuel, ainsi que les impulsions de tension à appliquer à la bobine , lorsque le moteur est adapté au mode de fonctionnement pas à pas unipolaire .

Les dessins représentent à titre d'exemple le moteur selon l'inven- tion avec un nombre de paires de pôles du rotor égal à 8 ( N = 8 ) .

Pour la compréhension de la structure du moteur selon l'inven¬ tion , on se reportera avec profit tout particulièrement à la Fig . 2.

Cette figure est une vue éclatée simplifiée de dessus du moteur , qui illustre bien la structure du moteur .

Le rotor 1 est en matériau ferromagnétique à champ coercitif élevé et à masse volumique faible , tel que samarium-cobalt . Il présente N pai- res de pôles lp , dont les axes de magnétisation sont parallèles à l' axe de rotation ^' la du rotor et espacés d'un intervalle angulaire égal . La direc¬ tion de magnétisation de chacun de ces axes est opposée à celle de l'axe adjacent .

FEUILLE DE REMPLACEMENT Le rotor est disposé entre deux stators , l'un, inférieur, d'indice a, l'autre, supérieur, d'indice b .

Chaque stator est constitué de deux pièces polaires coplanaires, imbriquées , l'une, intérieure, dans l'autre, extérieure, désignées ci-ap- rès:

2a pour la pièce polaire intérieure du stator inférieur a; 3a pour la pièce polaire extérieure du stator inférieur a; 2b pour la pièce polaire intérieure du stator supérieur b , et 3b pour la pièce polaire extérieure du stator supérieur b .

Les pièces polaires sont en matériau ferromagnétique à faible champ coercitif et à induction de saturation élevée.

Les deux pièces polaires de chaque stator sont coplanaires et sé¬ parées par un entrefer sinueux 4.

Chaque pièce polaire est constituée de N/2 pôles 5 , espacés d'un intervalle angulaire double de celui existant entre les axes de magnétisa- tion adjacents du rotor.

La pièce polaire intérieure 2b du stator supérieur b est .reliée ma¬ gnétiquement à une première extrémité A d'un noyau 6 , dont la seconde extrémité B est reliée magnétiquement à la pièce polaire intérieure 2a du stator inférieur a, c'est-à-dire la pièce polaire du stator inférieur dont les pôles sont directement opposés .

L'autre pièce polaire du stator supérieur, c'est-à-dire la pièce po¬ laire extérieure 3b , est reliée magnétiquement à la seconde extrémité B du noyau 6 , dont la première extrémité A est reliée magnétiquement à la pièce polaire 3a du stator inférieur, c'est-à-dire la pièce polaire du sta¬ tor inférieur dont les pôles sont directement opposés .

Le noyau 6 est en matériau ferromagnétique à faible champ coerci- tif et à induction de saturation élevée.

Une bobine 7 est enroulée autour du noyau.

L'ensemble est monté , à titre d'exemple, de la façon illustrée sur

Le stator inférieur est posé sur une pièce en matériau non ferro¬ magnétique 8. Les pièces polaires 2a, 2b , 3a et 3b sont positionnées par quatre pieds-vis 9. Deux pieds-vis 9e présentent en outre un épaulement 10 sur lequel appuient les pièces polaires du stator supérieur. Les pieds-vis peuvent être en matériau ferromagnétique doux ou non . Deux entretoises 11 , en matériau ferromagnétique doux, sont intercalées dans l'espace compris entre chacune des extrémités du noyau et chaque pièce polaire du stator supérieur.

Le dispositif de montage décrit ci-dessus assure , par les pieds- vis , le positionnement correct dans leurs plans des pièces polaires , et par les épaulements et les entretoises , le positionnement correct en hau- teur des pièces polaires .

Le rotor est monté de la façon illustrée sur la Fig . 4.

Le rotor pivote dans des paliers 12 à faible frottement de contact. Le matériau utilisé pour les paliers est, par exemple, le rubis .

Un pignon 13 est solidaire de l'axe de rotation la du rotor et permet de transmettre le mouvement de rotation du rotor à tout le train d'engrenage 14.

Les pôles des pièces polaires peuvent en outre être rendus asy¬ métriques par rapport aux axes radiaux définissant l'intervalle angulaire entre les pôles . Un exemple est donné sur la Fig . 5. Cette conception permet, comme nous le verrons plus loin, de créer un déphasage entre le couple de positionnement et le couple mutuel, permettant ainsi l' autodé¬ marrage du moteur.

Il est également possible de conserver les pôles des pièces polai¬ res symétriques et de créer le couple de positionnement et le déphasage par un système auxiliaire. De tels systèmes , qui nécessitent l'utilisation d'un aimant auxiliaire , sont connus et ne sont pas décrits ici.

Pour la compréhension du fonctionnement du moteur selon l'inven¬ tion , on se reportera avec profit à la Fig . 6 .

On reconnaît le rotor 1 , où les sections hachurées correspondent aux paires de pôles. On reconnaît également les pôles 5 des pièces polai¬ res séparées par l'entrefer 4. Les liaisons magnétiques sont schématisées symboliquement par des traits . On a également indiqué les extrémités A et B du noyau 6. La bobine 7 est enroulée autour du noyau 6.

Pour faciliter la compréhension du fonctionnement, on expose d'a¬ bord la façon dont sont créées les caractéristiques . Ensuite, on expose le comportement du moteur suivant le mode d'alimentation .

Les caractéristiques suivantes sont successivement envisagées:

- le couple mutuel, provenant de l'interaction entre le flux du rotor ai¬ manté et le flux de la bobine, couple mutuel dont la réalisation fait l'objet principal de la présente invention;

- la perméance de la bobine; - le couple de positionnement, c'est-à-dire celui dû au rotor aimanté , en l'absence de courant dans la bobine, et

- le déphasage introduit entre le couple mutuel et le couple de position¬ nement .

Pour ces deux dernières caractéristiques , on examinera différen¬ tes versions , selon le mode d'alimentation .

Venons-en au couple mutuel.

Dans la position du rotor dessinée sur la Fig . 6 , les paires de pôles lp du rotor sont directement opposées aux pôles 5 des pièces po¬ laires des stators , inférieur et supérieur .

Considérons le chemin parcouru par les flux issus des paires de pôles du rotor , dont l' axe de magnétisation est dirigé du stator supé¬ rieur b au stator inférieur a.

Ces flux sont recueillis par la pièce polaire inférieure 3a et sont acheminés par le circuit magnétique à l'extrémité A du noyau . Au .point

- τ RE

OMPI A , le flux se dirige ensuite en grande partie dans le noyau 6 , dans le sens allant de A à l'autre extrémité B du noyau. Arrivé à l'extrémité B , le flux se referme ensuite par les pôles du stator supérieur 3b .

La raison pour laquelle le flux, arrivé en A, se dirige ensuite en grande partie dans le noyau 6 , et non pas dans la pièce polaire 2b , pro¬ vient du fait que , pour le flux issu des paires de pôles citées du rotor, la perméance vue par le flux pour se refermer par les pôles de la pièce polaire 3b est plus grande que la perméance pour se refermer par les pôles de la pièce polaire 2b .

Ceci provient du fait que les pôles de la pièce polaire 3b sont di¬ rectement opposés aux pôles de la pièce polaire 3a, ce qui n'est pas le cas pour les pôles de la pièce polaire 2b .

Toujours dans la même position du rotor, considérons le chemin parcouru par les flux issus des paires de pôles du rotor, dont l'axe de magnétisation est opposé, c'est-à-dire est dirigé du stator inférieur a au stator supérieur b . Ces flux sont recueillis par la pièce polaire supérieu- re 2b et sont acheminés par le circuit magnétique à l'extrémité A du no¬ yau. Au point A, le flux -se dirige ensuite en grande partie dans le no¬ yau 6 , dans le sens allant de A à l'autre extrémité B du noyau, c'est-à- dire dans le même sens que celui valable pour les paires de pôles adja¬ centes. Le fait que les flux de toutes les paires de pôles du rotor s'a- joutent dans le noyau provient , dans la situation décrite, de ce que la pièce polaire 2b du stator supérieur est reliée magnétiquement à l'extré¬ mité A du noyau, dont l'autre extrémité B est reliée magnétiquement à la pièce polaire 2a du stator inférieur, tandis que l'autre pièce polaire 3b du stator supérieur est reliée magnétiquement à l'autre extrémité B du noyau , dont l'extrémité A est reliée magnétiquement à la pièce polaire du stator inférieur 3a.

On voit ainsi que dans la position du rotor dessinée sur la Fig. 6 , le flux parcourant le noyau est maximum.

Pour la position du rotor décalée d'un angle valant 2τr/N par rap¬ port à la précédente , il est facile de voir que le flux parcourant le no¬ yau est aussi maximum , mais de sens opposé à celui existant pour la po¬ sition précédente du rotor.

Venons-en à la perméance de la bobine.

La perméance de la bobine est limitée par l'entrefer sinueux exis¬ tant entre les pièces polaires coplanaires de chaque stator.

Venons-en aux deux dernières caractéristiques annoncées , à sa¬ voir le couple de positionnement et le déphasage. Trois versions , relati¬ ves au mode de fonctionnement du moteur, sont successivement exposées.

Il s'agit des versions suivantes : - moteur pas à pas bipolaire;

- moteur pas à pas unipolaire;

- moteur synchrone.

Ces appellations seront aisément compréhensibles à la suite des explications fournies plus loin .

Considérons la première version , dite moteur pas à pas bipolaire.

Venons-en au couple de positionnement .

En l'absence de courant , le moteur présente un couple dû au ro¬ tor aimanté, couple appelé plus loin couple de positionnement. Dans la position du rotor dessinée sur la Fig . 6 , la perméance vue par les flux issus des paires de pôles du rotor est maximale. Dans cette position, en accord avec les lois de l'électromécanique, l'énergie magnétique étant né¬ gative, elle est minimale et correspond à une position d'équilibre stable .

Toujours en l'absence de courant, dans la position du rotor déca¬ lée de ττ/N par rapport à la précédente , la perméance vue par les flux issus des paires de pôles du rotor est minimale . Dans cette position , en accord avec les lois de l'électromécanique , il correspond donc une posi¬ tion d'équilibre instable . Toujours en l'absence de courant, en décalant encore ^' le rotor de τr/N par rapport à la position précédente , la perméan- ce vue par les flux des paires de pôles du rotor est à nouveau maximale et il lui correspond une position d'équilibre stable.

Le moteur présente donc un couple de positionnement de période 2τr/N .

Les allures des couples de positionnement Ma et mutuel Mab sont données sur la Fig . 7a en fonction de l'angle de rotation α du rotor.

Pour fixer des ordres de grandeur , il est avantageux, du point de vue du rendement , que le rapport entre le couple de positionnement et le couple mutuel soit de l'ordre de 0 , 25 .

Venons-en au déphasage entre le couple mutuel et le couple de positionnement .

Pour permettre le démarrage du moteur et donner un sens de ro¬ tation privilégié au rotor , il est , en effet , nécessaire de créer un dépha¬ sage angulaire entre les couples , mutuel et de positionnement .

Le déphasage γ peut être créé , à titre d'exemple, grâce à ^' l'asy- métrie des pôles des pièces polaires . Un exemple de réalisation est donné sur la Fig . 5 .

En effet , l' asymétrie des pôles des pièces polaires modifie la posi¬ tion du rotor pour laquelle la perméance vue par les flux des paires de pôles du rotor est maximale , et , partant , la position d'équilibre stable . Il en résulte le décalage angulaire annoncé entre le couple mutuel et le couple de positionnement , comme cela est représenté sur la Fig . 7b , en fonction de l'angle de rotation α du rotor .

Le comportement du moteur avec les caractéristiques décrites , lorsque la bobine est alimentée, est connu et n'est pas exposé . Il est à signaler cependant que la période du couple de positionnement étant la moitié de celle du couple mutuel, le fonctionnement du moteur en mode pas à pas dans un même sens de rotation nécessite des impulsions de tension de polarité alternée , telles que celles représentées sur la Fig . 7c, en fonction du temps t . Le moteur est ainsi dit pas à pas bipolaire .

Considérons la deuxième version dite moteur pas à pas unipolaire.

Venons-en au couple de positionnement.

Dans cette variante , les pôles des pièces polaires sont dimension- nés de telle sorte que le couple de positionnement introduit par ces pôles soit négligeable vis-à-vis du couple mutuel. Cela peut se faire en parti¬ culier en diminuant l'entrefer sinueux entre les pièces polaires coplanai¬ res des stators .

Le couple de positionnement, ainsi que le déphasage , sont créés par un système auxiliaire de telle sorte que le couple de positionnement ait une période de 4π/N , c'est-à-dire la même période que celle du couple mutuel. La façon dont un tel système ^' auxiliaire peut être conçu est con¬ nue et n'est pas exposée. Les allures des couples de positionnement Ma et mutuel Mab sont données pour cette deuxième variante sur la Fig . 8a, analogue à la Fig . 7b .

Le comportement du moteur avec les caractéristiques décrites , lorsque la bobine est alimentée , est connu et n'est pas exposé . Il est à signaler cependant que la période du couple de positionnement étant éga- le à celle du couple mutuel, le fonctionnement du moteur en mode pas à pas dans un même sens de rotation nécessite des impulsions de tension de même polarité , telles que celles représentées sur la Fig . 8b , analogue à la Fig . 7c . Le moteur est ainsi dit pas à pas unipolaire .

II est clair qu'il est également possible d'utiliser un système auxi¬ liaire dans le cas du moteur pas à pas bipolaire . Le système auxiliaire est alors conçu pour donner un couple de positionnement de période 2τr/N .

Considérons la troisième version dite moteur synchrone .

II est clair que le moteur décrit , fonctionnant en mode pas à pas peut aussi fonctionner en mode continu . Le couple de positionnement est rendu négligeable vis-à-vis du couple mutuel . Il est toutefois avantageux de laisser subsister un léger couple de positionnement et un déphasage entre ce couple de positionnement et le couple mutuel, dans le but d'as¬ surer l' autodémarrage du moteur .

Le comportement du moteur avec les caractéristiques décrites , lorsque la bobine est alimentée , est connu et n'est pas exposé . Il est à signaler, cependant, que le fonctionnement du moteur en mode continu dans un même sens de rotation nécessite une tension alternative et que la vitesse de rotation du rotor est proportionnelle à la fréquence d'ali- mentation . Le moteur est ainsi dit synchrone.

Venons-en à l'affirmation faite plus haut , que le moteur selon l'in¬ vention a pour but d'être optimum du point de vue du rendement. Il se¬ rait trop long d'entrer dans les détails de la théorie . Ce que l'on peut constater, c'est que pour le moteur de la présente invention, les flux de toutes les paires de pôles du rotor sont acheminés dans le même sens dans le noyau de la bobine , cela grâce à l'enchevêtrement décrit des piè¬ ces polaires intérieures et extérieures et grâce à la liaison magnétique décrite des stators , inférieur et supérieur, par le noyau de la bobine . Il n'existe ainsi aucun flux de paire de pôles qui soit perdu dans le sens où il ne se refermerait pas par le noyau et ne participerait pas de façon additive au flux mutuel. Il s'agit d'une première condition néces¬ saire à l'obtention d'un rendement optimum .

De plus , pour le moteur de la présente invention , le flux de cha¬ que paire de pôles du rotor est maximisé par le fait que le flux recueilli par les pôles d'une pièce polaire d'un stator se referme par les pôles di¬ rectement opposés de la pièce polaire de l'autre stator, comme il a déjà été décrit . Il s'agit d'une deuxième condition nécessaire à l'obtention d'un rendement optimum .

Enfin , pour le moteur de la présente invention , dans son mode de fonctionnement pas à pas , il faut ajouter un point supplémentaire . Le fait que le rotor soit plein , dans le sens où il n'existe pas d'intervalle angu- laire entre les axes de magnétisation qui ne soit égal à 2π/N , optimise , du point de vue du rendement , la relation entre le flux total des paires de pôles du rotor et l'inertie du rotor . Cela provient du fait que le ren¬ dement est une fonction croissante du flux et décroissante de l'inertie , mais que la puissance à laquelle cette fonction croît avec le flux est plus

^{"^} grande que la puissance à laquelle cette fonction décroît avec l'inertie .

Pour le fonctionnement en mode pas à pas , il s'agit d'une troisiè¬ me condition nécessaire à l'obtention d'un rendement optimum.

Grâce à la conjonction des conditions nécessaires qui viennent d'être énumérées plus haut, il est possible d'affirmer que le moteur fai¬ sant l'objet de la présente invention est optimum du point de vue du rendement .

Il est aussi facile de déduire que les autres moteurs du même ty¬ pe , mais qui ne satisferaient pas à l'ensemble de ces conditions nécessai¬ res , ne sont pas optima du point de vue du rendement.

II va de soi, en effet , que le fonctionnement du moteur est possi ^¬ ble , même si l'ensemble des conditions nécessaires , qui ont été énumé¬ rées , ne sont pas satisfaites . Il existe ainsi un grand nombre de varian¬ tes , qui sont des cas particuliers défavorables du point- de vue du ren¬ dement du moteur selon l'invention et qui représentent , dans certains cas , des moteurs déjà existants .

On peut citer de façon non exhaustive les variantes suivantes du moteur selon l'invention . Il est entendu que pour chaque variante propo¬ sée , les modifications sont faites à partir du moteur complet selon l'in- vention .

Mentionnons :

- suppression de l'un des stators , les pièces polaires de l'autre stator étant reliées magnétiquement par le noyau de la bobine; - suppression des deux pièces polaires extérieures ou des deux pièces polaires intérieures , les pièces polaires restantes étant reliées magné¬ tiquement par le noyau;

- suppression de l'entrefer sinueux entre les pièces polaires coplanaires et remplacement pour chacun des stators par deux entrefers radiaux droits , les dits entrefers étant disposés de telle sorte que les pièces polaires coplanaires jouent, en regard des paires de pôles du rotor, le rôle que jouent les pièces polaires intérieures et extérieures du moteur selon l'invention , la liaison magnétique entre les stators , inférieur et supérieur , étant la même que pour le moteur selon l'invention .

FEUILLE DE REMPLACEMENT

D'autres variantes , en liaison avec le bobinage , peuvent être con¬ çues à partir du moteur selon l'invention ou de l'une de ses variantes , pourvu qu'elle comporte les deux stators , inférieur et supérieur , et que chacun de ceux-ci soit constitué de deux pièces polaires .

Les variantes sont mentionnées dans les revendications 10 et 11. Notons que le moteur reste monophasé dans ces variantes .

Venons-en enfin à l'affirmation faite plus haut que le moteur selon l'invention a pour but de présenter une gamme de puissances qui peut être très étendue , sans modification de la conception du moteur .

II serait trop long d'entrer dans les détails de la théorie. Il est toutefois intuitif de remarquer que la puissance mécanique que peut fournir le moteur est une fonction croissante du nombre de paires de pô¬ les du rotor , ainsi que du diamètre du rotor .

Cette situation permet d'étendre la gamme des puissances du mo¬ teur , sans avoir à modifier la conception du moteur . Il est donc possible d'affirmer que le moteur faisant l'objet de la présente invention présente une gamme de puissances qui peut être très étendue , sans modification de la conception du moteur .

FEUILLE DE REMPLACEMENT