CH642201A5 - Moteur electrique synchrone a tres faible inertie rotorique a mouvement conique equilibre. - Google Patents

Description

L'invention a pour objet un moteur à courant alternatif du type synchrone conçu pour avoir une inertie rotorique particulièrement faible et, au repos, un couple de rappel vers une parmi plusieurs positions d'équilibre stable, ce qui le rend particulièrement apte aux services cycliques et au fonctionnement pas à pas. La conception de ce moteur n'entraîne aucune limitation en ce qui concerne sa puissance utile. Il peut être réalisé de manière à tourner lentement, sans adjonction d'un réducteur de vitesse extérieur.

Le brevet français N° 1231097 déposé le 25 mars 1959 aux noms de Claude Rosain et de Georges Sterbatcheff, pour «Moteur lent à courant alternatif», décrit un moteur du type synchrone dans lequel une faible inertie rotorique est obtenue grâce au fait que le rotor roule sans glissement sur un chemin de roulement solidaire du stator et, de ce fait, ne subit pas de rotation rapide autour de son propre axe. Ce moteur ne permet donc d'obtenir que des mouvements lents par rapport à la pulsation du champ tournant et pose par ailleurs, du fait des vibrations engendrées par le mouvement hypocycloïdal, des problèmes de suspension délicats.

Le circuit magnétique de son stator présente nécessairement la particularité d'être agencé pour que le champ tournant soit déphasé de 180° entre les deux entrefers que comportent les extrémités respectives du rotor, ce qui éloigne sa construction de celle des circuits magnétiques traditionnels. Enfin, l'équilibrage d'un tel moteur ne peut être obtenu qu'au prix d'artifices qui en compliquent la réalisation.

Le brevet US N° 2871382 décrit un actionneur et réducteur de vitesse comportant trois engrenages, dont le premier est fixe, le second est rotatif et comporte une partie saillante hémisphérique et le troisième, qui comporte une cavité hémisphérique, effectue une nuta-tion de son axe autour d'un point central. Un champ tournant coopère avec une armature magnétique polarisée fixée au troisième engrenage pour engendrer, respectivement, une force d'attraction et une force de répulsion en deux points diamétraux du troisième engrenage. Un tel dispositif, de structure très différente de celle d'un moteur classique à stator et rotor cylindriques, présente l'inconvénient majeur de décrocher lorsque, le couple résistant exercé sur l'arbre de sortie dépassant un certain seuil, les dents du troisième engrenage cessent d'engrener avec celles du premier.

Les brevets britanniques Nos 1829 et 3534 décrivent également des dispositifs à élément en nutation, trandis que FR N° 85038 décrit un moteur dont le rotor comporte des parties coniques qui roulent sans glisser dans des chemins de roulement du stator. Tous ces dispositifs présentent l'inconvénient de décrocher pour une certaine valeur du couple résistant. En outre, le moteur selon FR N° 85038 comporte un frottement nuisible entre le rotor et le stator.

Le brevet US N° 3456139 comporte un rotor et un stator cylindriques et un circuit magnétique de type traditionnel. Un roulement à rotule permet de centrer le rotor par rapport au stator. Toutefois, ce moteur présente l'inconvénient de décrochage mentionné ci-dessus, la coopération des engrenages que comportent le stator et le rotor ne permettant pas de maintenir à une valeur constante l'angle d'inclinaison de l'axe du rotor sur celui du stator.

Les brevets FR N° 1371775, DE N° 902883, FR N° 948683 et FR No 1461135 illustrent l'état général de la technique.

L'invention se propose de s'affranchir des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en utilisant un circuit magnétique statorique de type traditionnel engendrant un champ tournant de même direction aux deux extrémités du rotor, et en maintenant, au moyen

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d'au moins une pièce excentrique par rapport à l'arbre du moteur, une inclinaison constante de l'axe virtuel du rotor par rapport à celui du stator, si bien que le rotor effectue un mouvement conique.

Il résulte de ce mouvement conique qu'une inertie rotorique particulièrement faible est obtenue et que, compte tenu du fait que le circuit magnétique présente par ailleurs une symétrie de révolution, le moteur comporte plusieurs positions définissant un entrefer minimal et, par conséquent, un équilibre stable.

Le moteur objet de l'invention est défini dans la revendication 1. Les diverses particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé:

la fig. 1 est une vue en coupe axiale d'un moteur conforme à un premier mode d'exécution de l'invention;

la fig. 2 le représente en coupe transversale;

la fig. 3 représente le détail d'une rotule à billes qui sert à l'entraînement de l'arbre par le rotor;

la fig. 4 est un diagramme des champs et des forces d'attraction destiné à illustrer le fonctionnement du moteur;

la fig. 5 représente schématiquement une variante de réalisation d'un moteur conforme au premier mode d'exécution;

la fig. 6 représente schématiquement le rotor d'un moteur conforme à un second mode d'exécution, et la fig. 7 représente schématiquement le rotor d'un moteur conforme à une variante du second mode d'exécution.

Aux fig. 1 et 2, on a représenté un moteur comportant un stator 1 ayant un axe de symétrie horizontal X'X et, sur cet axe, un centre de symétrie C. Ce stator loge un rotor 2 ayant le même centre de symétrie C et un axe de symétrie O'O qui fait un angle constant et faible a (de préférence inférieur à 4°) avec l'axe X'X. Les moyens de maintenir le centre de symétrie du rotor au point fixe C et d'obtenir le mouvement conique du rotor, c'est-à-dire de limiter l'angle a, comportent, dans le mode d'exécution décrit, une rotule lisse ou une rotule à billes comportant une cage à portée sphérique 3 centrée en C, montée sur le cage cylindrique 21 du rotor dans un plan perpendiculaire à l'axe O'O et qui coopère avec une cage 4, solidaire d'une pièce annulaire 11 du stator et ayant également une portée sphérique.

Le stator est muni, à une extrémité, d'un flasque 12 qui porte un palier rigide à roulement 13, lequel supporte un arbre 5 axé sur X'X.

Cet arbre est solidaire d'un excentrique 6, lui-même supporté à l'intérieur de la cage 21 par un roulement à billes à rotule 7.

On a représenté, à la fig. 3, l'excentrique 6, de forme circulaire et centré en un point E de l'axe O'O situé à une distance EK = CE sin a de X'X. Le roulement 7 comporte une cage extérieure 71 à portée sphérique centrée en E, solidaire de la cage 21, et une cage intérieure 72' solidaire de la périphérie de l'excentrique. L'angle a a été très exagéré à la fig. 3.

Revenant à la fig. 1, on voit que le rotor est muni à ses extrémités de deux épanouissements polaires 22 et 23 de surface extérieure conique, le demi-angle au sommet du cône étant étgal à a.

A la fig. 2, on voit que le profil des tôles du stator forme à chaque extrémité quatre pôles 140,141,142,143 dont l'extrémité a la forme d'une portion de cylindre axée sur X'X. Ainsi, au cours de la rotation de l'axe O'O autour de X'X, se présentent quatre positions du rotor pour lesquels il existe, entre chaque épanouissement polaire et l'un des pôles du stator, un entrefer minimal de longueur constante. Aux fig. 1 et 2, cet entrefer minimal se présente entre le pôle 140 et l'épanouissement polaire 22. Sa longueur, par exemple égale à 0,4 mm, a été très exagérée au dessin.

Dans un mode d'exécution préféré, le circuit magnétique du moteur comprend des aimants permanents constitués de tuiles ou secteurs portés par le stator. Ces aimants sont au nombre de quatre à chaque extrémité du stator dans l'exemple décrit, et désignés par les numéros de référence 150 à 153 et 160 à 163. Ils sont aimantés radia-lement, les pôles nord étant par exemple sur leur surface extérieure pour les aimants 160 à 163 et sur leur surface intérieure pour les aimants 150 à 153. Ces aimants sont fixés de part et d'autre de la pièce annulaire de support 11, laquelle est centrée en C et constituée de matière amagnétique. Ils sont entourés d'une culasse annulaire 17 en matière magnétique douce.

A chaque extrémité du stator, un empilage de tôles magnétiques (18 et 19 respectivement) est logé à l'intérieur des aimants et fixé sur une face de la pièce 11. On voit, à la fig. 1, que chaque empilage a la même largeur que les aimants correspondants. Quatre bobines telles que 8, 9 entourent les quatre pôles.

La cage et les épanouissements polaires du rotor sont, dans le mode d'exécution décrit, en matière magnétique douce.

On va maintenant expliquer le fonctionnement du moteur décrit en se référant à la fig. 4.

Lorsque les bobines sont parcourues par un courant alternatif polyphasé, un champ tournant H identique à celui qui serait produit par un aimant tournant à la vitesse co autour de l'axe X'X (co étant la pulsation du courant) est engendré dans chacun des entrefers. Par ailleurs, le rotor est polarisé par un champ magnétique fixe, fourni par les aimants.

Il résulte de cette polarisation que des forces d'attraction se manifestent entre le stator et les épanouissements polaires du rotor. La résultante de ces forces est, à chaque extrémité du rotor, appliquée au centre (G, G' respectivement) des masses magnétiques réparties à cette extrémité (c'est-à-dire en un point de l'axe O'O) et dirigée ra-dialement vers la position variable de l'entrefer minimal. Soit F0 et F'O les deux résultantes (fig. 4). On peut montrer qu'elles font, avec la direction du champ H, un angle de retard 0 qui croît avec le couple résistant exercé sur l'arbre 5 du moteur.

Le champ H exerce de son côté des forces d'attraction dont les résultantes Fl et F'1, appliquées en G et G' respectivement, sont parallèles à H et dirigées en sens inverse l'une de l'autre. Chacune de ces résultantes Fl et F'1 peut être décomposée en deux forces, dont l'une est dirigée suivant F0 (respectivement F'0) et l'autre suivant la normale à F0 (ou respectivement F'0). Les deux forces FI sin <|> et F'1 cos <(> ainsi obtenues s'ajoutent respectivement à F0 et F'0 pour former un couple tendant à faire basculer le rotor; ce couple est annulé par la réaction de la cage 71 sur l'excentrique et l'angle a est ainsi maintenu à une valeur fixe.

Les deux forces FI sin 0 et F'1 sin 0 forment un couple qui tend à faire tourner G et G' (c'est-à-dire les centres de symétrie des deux extrémités du rotor: fig. 1) autour de l'axe X'X, à la vitesse angulaire co.

L'axe du rotor effectue donc un mouvement conique, de demi-angle au sommet a, autour de l'axe X'X. L'excentrique 6 est donc lui-même entraîné à la vitesse cd autour de X'X.

On notera que la géométrie du moteur est telle que le rotor définit, au cours de son mouvement conique, autant de positions correspondant à un entrefer minimal que le stator comporte d'épanouissements polaires (à savoir, quatre dans l'exemple décrit). Il en résulte que le moteur possède plusieurs positions d'équilibre stable. Lorsque le moteur est arrêté, un couple de rappel le ramène à la position d'équilibre stable la plus proche.

Une autre propriété remarquable du moteur décrit est le très faible moment d'inertie du rotor. Comme celui-ci ne tourne pas sur lui-même (ou, éventuellement, tourne à une vitesse très faible), son moment d'inertie se réduit, pour chaque tranche élémentaire de son volume perpendiulaire à son axe, à celui qui correspond à la rotation de la masse de cette tranche supposée concentrée en son centre de gravité G, autour de l'axe X'X. On montre finalement que l'inertie totale du rotor est égale à 1/3 M (L/2 sin a)2, L étant la longueur du rotor. Cette quantité est très faible, compte tenu de la faible valeur de a. Grâce aux propriétés que l'on vient d'énoncer, le moteur décrit sera particulièrement bien adapté à un fonctionnement en pas à pas.

Par ailleurs, le rotor, du fait de sa symétrie par rapport au point C, est parfaitement équilibré et n'engendre donc aucune vibration mécanique. Pour tenir compte de la masse de l'excentrique, on dispose à l'extrémité opposée de la cage 21 une masselotte annulaire d'équilibrage 24 (fig. 1).

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Comme les forces Fl et F'1 sont proportionnelles au produit du champ tournant par le flux continu dans l'entrefer, et comme l'amplitude H ne peut dépasser une valeur compatible avec réchauffement admissible du moteur, il est intéressant de donner au flux continu une valeur aussi élevée que possible. Ce résultat est obtenu en conférant aux aimants une grande surface.

A titre d'exemple, en utilisant des tôles de stator et des aimants normalisés, la disposition décrite permet d'obtenir une surface d'aimants double de celle de l'entrefer. Or, la surface d'un aimant torique placé dans le rotor ne serait que le tiers de celle de l'entrefer, donc l'induction obtenue serait finalement six fois plus faible.

On notera par ailleurs que, dans la disposition décrite, le flux continu se ferme suivant le trajet représenté en trait plein à la fig. 1, tandis que le flux alternatif se ferme suivant le trajet représenté en pointillé à la fig. 2, sans traverser les aimants (dont la réluctance est très élevée). Il n'a donc pas tendance à démagnétiser les aimants, ce qui est un avantage supplémentaire.

Pour ces diverses raisons, la disposition représentée aux fig. 1 et 2 sera le plus souvent préférée en pratique. Cette disposition n'est cependant pas limitative.

Dans le mode d'exécution décrit, le centre C du mouvement du rotor est matérialisé par une rotule. A titre de variante, l'on pourrait supprimer cette rotule (3, fig. 1) et remplacer la masselotte 24 par un deuxième excentrique 6a, coopérant avec un deuxième roulement à billes à rotule 7a (respectivement identiques aux organes 6, 7 de la fig. 1). L'arbre 5 traverserait alors complètement l'intérieur de la cage rotorique et serait supporté par deux paliers rigides, portés par deux flasques du stator. Une telle disposition a été représentée schématiquement à la fig. 5. Bien entendu, les deux excentriques 6 et 6a doivent être symétriques par rapport au point C, c'est-à-dire que leurs centres sont situés de part et d'autre de l'axe XX' et à égale distance de celui-ci.

A la fig. 6, on a représenté un rotor comportant une cage 21 qui loge, à une extrémité, une couronne 26 dont la surface interne est une portion d'un cône centré en C, ayant pour axe O'O et un demi-angle au sommet <)>. Le moteur comporte un arbre 5 qui traverse complètement le rotor et est supporté par deux paliers dont sont munis les flasques du stator (non figuré). L'arbre 5 porte un pignon 28 de surface conique centrée en C, ayant pour axe XX' et un demi-angle au sommet (<)> — a). Le centre C est fixé par une rotule 33, 34 analogue à celle de la fig. 1. A l'extrémité du rotor opposée à celle qui loge la couronne 26, la cage 21 loge la cage extérieure 35 d'une rotule à billes, dont la cage intérieure 36, portée par l'arbre 5, n'est pas excentrée par rapport à X'X, si bien que la rotule 35, 36 n'assure pas l'entraînement de l'arbre 5. Le rotor comporte par ailleurs deux épanouissements polaires, non figurés, ayant la même forme que ceux de la fig. 1 et coopérant de la même manière avec un stator identique à celui du moteur de la fig. 5 (lui-même identique, aux paliers de support de l'arbre près, à celui des fig. 1 et 2).

Le mouvement conique du rotor autour de l'axe X'X est donc identique à celui du rotor de ces moteurs.

La couronne 26, au cours de ce mouvement conique du rotor, entraîne le pignon 28 avec lequel elle est constamment en contact (de préférence, le pignon 28 et la couronne 26 sont dentés et ont, évidemment, des dentures de même module) suivant une génératrice du cône de demi-angle (<j> — a).

On peut montrer que la vitesse angulaire de rotation de l'arbre 5 est, par rapport à la vitesse angulaire ta, divisée par le rapport:

sin (<j> — a)

P =

sin 4> — sin (<t> — a)

La cage extérieure 35, étant centrée sur O'O, est donc excentrée par rapport à l'arbre 5, de manière à assurer le maintien de l'angle a, ce qui évite le décrochage du pignon 28. La masse de la cage 35 équilibre celle de la couronne 26.

Comme le rotor aurait tendance à tourner autour de son propre axe à cause de la réaction au couple résistant, ce mouvement doit être bloqué, ce qui est obtenu au moyen d'une tige 29 solidaire du stator et dont l'extrémité coopère avec un évidement 30 que comporte une bague 31 fixée sur la périphérie du rotor. L'évidement 30 a une largeur (dimension suivant une direction perpendiculaire au plan de la figure) à peine supérieure au diamètre de la tige, ce qui interdit toute rotation du rotor autour de OO'. Par contre, la longueur de l'évidement (dimension dans la direction OO') est suffisante pour autoriser le mouvement conique du rotor.

Dans la variante de la fig. 7, on retrouve la rotule centrale 33, 34 qui assure la fixation du point C et la rotule à cage extérieure excentrée 35, 36, destinées à maintenir l'angle a, mais la rotation du rotor 21 sur lui-même n'est pas bloquée. La coopération d'une couronne conique 32, de demi-angle au sommet <)>', solidaire de la cage 21,

avec une couronne 37, solidaire du stator et de demi-angle au sommet <(>' — a, a pour effet d'imposer au rotor, en plus de son mouvement conique autour de l'axe X'X provoqué par l'action des forces magnétiques, un mouvement de rotation lent autour de son propre axe O'O, dont la vitesse angulaire est divisée, par rapport à cd, par le rapport:

sin ()>' — a sin <]>' — sin (<j)' — a')

Ce mouvement de rotation autour de O'O est converti en un mouvement de rotation autour de l'axe X'X à vitesse plus réduite par la coopération d'une couronne 38 solidaire de la cage rotorique 21 et d'un pignon 39 solidaire de l'arbre 5, ces deux organes 38, 39 ayant une surface conique de demi-angle au sommet différent de <]>' et les axes des couronnes 32 et 38 étant confondus avec O'O.

On peut montrer que la vitesse de l'arbre est, par rapport à co, multipliée par:

sin ((b' — a) sin è

p = II i. 1 i sm (j)' sin (<(> — a)

A titre d'exemple, pour <|> = 30°, <)>' = 45° et a = 3°, on trouve p = 0,0465.

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3 feuilles dessins

Claims (11)

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1. Moteur électrique synchrone comportant un rotor de forme générale cylindrique, un stator de forme générale cylindrique ayant à chaque extrémité une pluralité de pôles définissant avec l'extrémité correspondante du rotor, qui est logé à l'intérieur du stator, une pluralité correspondante d'entrefers, un bobinage statorique alimenté et agencé pour engendrer un champ tournant radial de même direction dans les entrefers des deux extrémités respectives, et des moyens pour polariser magnétiquement avec des signes contraires les deux extrémités du rotor, de sorte que chacune de celles-ci ait un centre magnétique, l'axe virtuel qui joint ces deux centres magnétiques coupant l'axe de symétrie du stator au centre de symétrie de ce dernier, caractérisé par des moyens mécaniques, comportant au moins une pièce excentrée (6, 35), montée sur l'arbre (5) du moteur ou dans la cage du rotor (21), pour maintenir à une valeur constante l'angle d'inclinaison dudit axe virtuel sur l'axe de symétrie du stator et la coïncidence des centres de symétrie de ces deux axes, lesdits moyens coopérant avec au moins un roulement à rotule (7, 36) interposé entre la pièce excentrée et la cage du rotor, respectivement entre la pièce excentrée et l'arbre, permettant le mouvement conique dudit axe virtuel autour dudit centre de symétrie et suivant ledit angle,

sans entraîner aucune partie du rotor autour de son axe.

2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une deuxième pièce excentrée, ces deux pièces excentrées (6, 6a) coopérant chacune avec un roulement à rotule (7, 7a).

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REVENDICATIONS

3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une rotule dont une cage (3, 34), perpendiculaire à l'axe du rotor, est solidaire de la région médiane de la surface du rotor et centrée au centre de symétrie et dont l'autre cage (4, 33) est perpendiculaire à l'arbre (5).

4. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux pièces excentrées (6, 6a) sont montées sur l'arbre (5) avec leurs excentricités en opposition, et les roulements à rotule (7,7a) ont une cage extérieure (7, 7a) solidaire de la cage (21) du rotor.

5. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite rotule a une cage intérieure (3) montée sur la surface extérieure de la cage du rotor (21) et une cage extérieure (4) solidaire du stator.

6. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la pièce excentrée (35) est montée dans la cage (21) du stator et l'organe (36) est monté sur l'arbre (5), caractérisé par des moyens d'entraînement de l'arbre (5), comportant au moins un pignon (28, 39) conique centré sur l'arbre (5) et coopérant avec une couronne dentée conique (26, 38), les sommets des cônes primitifs du pignon et de la couronne coïncidant avec ledit centre de symétrie et leur demi-angle au sommet différant d'un angle égal audit angle d'inclinaison.

7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que des moyens (29, 31) sont prévus pour empêcher la rotation du rotor sur lui-même, tout en autorisant son mouvement conique.

8. Moteur selon la revendication 6, caractérisé par un deuxième pignon conique (37) solidaire du stator et coopérant avec une deuxième couronne dentée conique (32) solidaire du rotor, le deuxième pignon et la deuxième couronne ayant des cônes primitifs dont le sommet coïncide avec ledit centre de symétrie, l'axe de la deuxième couronne coïncidant avec celui de la première, mais les angles au sommet des deux cônes primitifs des deux couronnes étant différents.

9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par des moyens magnétiques de polarisation du rotor qui bloquent le mouvement conique du rotor et la rotation de l'axe du moteur dès la coupure de l'alimentation.

10. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation magnétique du rotor comprennent deux couronnes d'aimants à aimantation radiale, respectivement montées aux deux extrémités du stator et aimantées en sens inverse.

11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les deux couronnes d'aimants sont montées entre une culasse extérieure en matière magnétique qui règne sur toute la longueur du stator et deux empilages respectifs de tôles magnétiques formant une pluralité de pôles à chaque extrémité du stator.