FR2497419A1

FR2497419A1 - Moteur a courant continu sans collecteur a double impulsion

Info

Publication number: FR2497419A1
Application number: FR8124639A
Authority: FR
Inventors: Rolf Muller
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1980-12-30
Filing date: 1981-12-30
Publication date: 1982-07-02
Also published as: FR2497419B1; US4730136A

Abstract

MOTEUR AVEC FENTE D'AIR CYLINDRIQUE, ROTOR EXTERIEUR OU INTERIEUR 16 A MAGNETISME PERMANENT DE FORME TRAPEZOIDALE, AVEC, ENTRE LES POLES, DES BRECHES DE MAGNETISATION, AVEC UN ENROULEMENT COMMANDE PAR DETECTEUR DE POSITION, UNE FENTE D'AIR 19 ENTRE STATOR 40 ET ROTOR 16 A EFFICACITE MAGNETIQUE, DE LARGEUR DIFFERENTE LE LONG DE L'ANGLE DE ROTATION POUR PRODUIRE UN MOMENT DE RELUCTANCE. MOTEUR CARACTERISE EN CE QU'UN DOMAINE DE FAIBLE EFFICACITE MAGNETIQUE DE LA FENTE D'AIR 19 S'ETEND JUSQU'A UNE GORGE 44 A L'EXTREMITE DE L'ARC POLAIRE TP SUIVI D'UN FORT ACCROISSEMENT DE LA FENTE D'AIR DE L'ORDRE DE GRANDEUR DE LA LARGEUR DE LA GORGE.

Description

l 2497419 La présente invention concerne il i:oteur à Courant continu,

sans collecteur, à double impulsion, comportant une fente d'air à peu près cylindrique, avec un rotor intérieur ou extérieur, à magnétisme permanent, dont la magnétisation est à peu près en forme de trapèze, et qui présente, entre les pÈles, des brèches étroites de magnétisation. Ce moteur comporte un enroulement, commandé par au moins un détecteur de position angulaire de rotation, qui produit, en service, un champ alternatif et ainsi un enroulement produisant un moment d'entraînement électromagnétique présentant une brèche d'interruption, une fente d'air étant prévue, entre le pourtour du stator et le pourtour lui faisant face, efficace magnétiquement, et différente le long de l'angle de rotation, pour produire un moment de réluctance,

ladite fente d'air, vue en direction de la rotation, crois-

sant, à chaque début d'un arc de pôle de stator jusqu'à un maximum, et décroissant ensuite, de sorte que, à chaque extrémité d'un arc polaire de stator, se trouve une gorge

ouverte en direction de la fente.

Un tel moteur est connu d'après le DE-A-29 19 581, au contenu duquel il sera fait allusion dans la suite pour

éviter de trop longues explications.

Avec un moteur du type mentionné dans cette publi-

cation, en conservant des gorges de stator relativement lar-

ges, pour des raisons de techniques de bobinage, il ne peut

se produire qu'un moment de réluctance relativement faible.

En conséquence, l'effet des gorges sur le moment de réluctan-

ce se trouve réduit, ce qui se produit effectivement par la

forme de fente d'air indiquée.

Au total, avec le moteur qui est monté dans l'exemple de réalisation de ce brevet, on n'obtient qu'un moment d'entraînement relativement faible, avec il est vrai une bonne régularité de marche. Mais un tel moteur convient

mal pour des problèmes d'entraînement dans lesquels le mo-

teur doit obligatoirement fournir un fort couple d'entraîne-

ment, et en particulier lorsqu'il s'agit d'entraîner un appareil avec ce qu'on désigne par "frottement à sec", par exemple dans le cas de réalisation de l'étanchéité de

paliers au moyen de "lèvres" devant sopposer à la pénétra-

tion de saleté.

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La présente invention a pour but de réaliser un

moteur à double impulsion avec moment audari airde reéluc-

tance qui démarre avec s;reté m.'te avec un. en._raninement par

frottement à sec.

Dans ce but, le moteur de!'inventio est caracté- risé par une fe-te d'air eficace dans En dûie d.e faible rmajnetisme. oi s' ten oratiJu-_,-ent ca; e ols.! - la cette gorge ainsi gue dis ' '-, f-e augmenIa-cion de la fente d'air.... . . magn tique..en -!- A'ordr:

grandeur environ de la largeur de ce.te - orge.

Grâce à cette forte augmentati-;n de la fente d!'ir ef ficace magnétiqueminent, on obtient, en _iaison avec la magnétisation indiquée du rotor, une f ome et une grandeur favorable de la fraction entralnanrte du moment de réluctance, et une très bonne synchronisation de cette fraction avec les

brèches du moment d'entraînement électromagnétique.

La grandeur et la forme de cette fraction entrai-

nante du moment de réluctance ont pour effet que, mrême avec

un frottement à sec, tel qu'il est caractéristique de l'em-

ploi avec des nmémoires à disques magnétiques, ce couple de réluctance, lors de la déconnexion du moteur, entraîne avec sécurité le rotor dans une position favorable pour le re-démarrage. La fraction du moment de réiluctance servant au freinage présente elle--ir:me une allure très favorable Conformémerit à l'invention, il est prévu que, vue dans la direction_ de la rotation, la fente d'air à efficacité magnétique décroît rapidement à partir du maximum sur environ la moitié de l'arc de prle de stator en question, et décroît ensuite lentemenrt sur l'autre moiti-. Grâce à ce mode de

réalisation, on --obtient, en outre, que le moment de réluc-

tance de freinage indésirable en soi, qui soutire de l'éner-

gie au moteur, présente une forme favorable, c'est-àdire que la perte d'énergie est régulière et est répartie sur un grand

angle de rotation.

D'autres caractéristiques de l'objet de l'invention

apparaîtront dans la description ci-après, qui se rapporte à

un exemple de réalisation, avec référence aux dessins annexes, dans lesquels:

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la figure 1 est une vue en élévation latérale, partiellement en coupe le long de la ligne I-I de la figure 2 d'un moteur

conforme à l'invention, qui est ici un moteur à rotor exté-

rieur; la figure 2 est une vue en plan, par le dessous,du moteur de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan, à échelle agrandie, à peu près à l'échelle 2, d'une portion de tôle de stator, utilisée dans le moteur des figures 1 et 2; la figure 4 est une vue complète de tôle de stator analogue

à la figure 3, mais à échelle grandeur nature, et symétrique-

ment inversée par rapport à la figure 3; la figure 5 est une représentation, à échelle considérablement agrandie, et déroulée de l'allure de la fente d'air dans

le moteur suivant les figures 1 à 4, sur une partie du pour-

tour du stator, et la figure 6 est une représentation schématique en perspective

pour une explication de l'invention.

La figure 1 montre, à l'échelle 1, un moteur à rotor extérieur 10 avec une cloche de rotor emboutie 11 en acier, qui est reliée, en son centre, par une douille 12, à un arbre 13, lequel est supporté, à l'extérieur du moteur dans des paliers 14. Dans la face intérieure 15 de la cloche de rotor il est insérée et collée une bague magnétique 16 qui consiste habituellement en ce qu'on désigne par aimant-caoutchouc, c'est-à-dire un mélange de ferrite dure et d'une matière élastomère. Cette bague 16 est magnétisée radialement et comporte quatre pôles, voir la figure 5, dans laquelle sont représentés deux pôles de rotor. Les brèches séparant les pôles 16 sont désignées par 17. Ces brèches ou coupures 17

de l'aimant de rotor 16 peuvent être légèrement obliques.

Cependant la figure 1 montre une brèche non oblique.

Les pôles de rotor possèdent chacun une magnétisa-

tion en forme de trapèze. Les brèches entre pôles 17 sont étroites et possèdent, par exemple, chacune une largeur de l'ordre de 10 à 200, c'està-dire que, dans les pôles de rotor, le domaine à induction constante est grand, ainsi que

cela est précisé dans le DE-C 23 46 380.

Le paquet de tôles de stator 18 est, en dehors de

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la fente d'air 19, enduit, par injection, de matière synthé-

tique, de telle sorte que sont formés des corps d'enroulement 22 indiqués dans la figure 1. Dans cette représentation quatre corps d'enroulement de stator sont prévus, dont seuls les enroulements 23, 24 et 25 sont visibles dans les figures 1 et 2. Ces enroulements ont une conformation représentée dans la figure 1 du document DE-C ci-dessus, ou analogue à celle des figures 2 et 3 de l'article de M ller "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren" de la revue "asr-digest

fur angewandte Antriebstechnik", fascicule 1-2/1977.

Pour une rotation du rotor de 3600, sont donc amenées à l'enroulement deux impulsions de courant, qui ont typiquement chacune une durée inférieure à 180 degrés, de telle sorte que sont produites des brèches d. interruption dans le moment d'entraînement électromagnêtique. Ces interruptions sont remplies par un moment de réluctance, comme décrit dans la figure 5 du document DE-C mentionné, ainsi que dans l'article "asr" dans la figure 9. En vue

d'éviter des longueurs, la présente description renvoie,

pour ces points, aux publications mentionnées plus haut, et à la totalité du contenu du brevet DE-C-23 46 380 en question. Dans les figures 1 à 5, le sens de rotation du

moteur est indiqué par la flèche 26.

Le paquet de tôle de stator 18 est intérieurement pourvu d'une ouverture centrale 27 à travers laquelle est engagée la douille 12. Il est également pourvu de perçages 28 (figure 2) pour sa fixation à un appareil à entraîner, dans lequel, en pratique, peuvent également se trouver les paliers 14 pour le rotor. Le paquet de tôles 18 comporte,

en outre, d'autres perçages de fixation 28' (figure 4).

Sur la face inférieure du moteur 10 (figure 1) se trouve une plaque conductrice 29, laquelle est fixée à des saillies des corps d'enroulement 22, en trois points 32, 33 et 34. Cette plaque porte, comme représenté, des broches de branchement de connexion 35, des éléments de construction 36 et un générateur de Hall désigné par 37. Ce générateur 37 n'est pas disposé dans la zone neutre (qui est désignée par 38 dans la figure 2), qui passe par le centre de l'ouverture

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de gorge correspondante, et il:est décaté d'un angle '9 dans la direction opposée au sens de rotation 26. Cet angle de décalage (figure 2) 39 a de préférence une grandeur comprise entre 0 et 5 degrés. Le générateur de Hall 37 sert alors, exactement comme dans le brevet DE-C 23 46 380, à la commande, des courants dans les enroulements 23, 24, 25, etc.., étant commandé lui-même par le champ magnétique de l'aimant de

rotor 16. Les raccords de branchement individuels des enrou-

lements sont fixés par soudure aux emplacements correspon-

dants de la plaque conductrice.

Le paquet de tôle de stator 18 comporte, comme le montrent les figures 3 et 4, quatre pâles estampés 40, 41,

42, 43 de forme identique, qui sont séparés par des ouvertu-

res de gorges 44, lesquelles conduisent à des gorges 45 dans lesquelles sont insérés les enroulements conformément

aux figures 1 et 2.

La figure 5 montre, à échelle fortement agrandie, l'allure de la fente d'air 19 le long d'une largeur de pôle, c'est-à-dire 180 degrés. Cette allure est la même pour les

quatre pôles de stator et, en conséquence, elle n'est repré-

sentée que pour le pôle 40.

La figure 3 montre, avec une ligne en traits-

mixtes, la circonférence 49 qui représente l'enveloppe

cylindrique circulaire du paquet de tôles de stator 18.

A l'emplacement 50, et donc, dans la figure 3, sur la corne polaire supérieure de droite 51, se trouve l'endroit de largeur minimale de la fente d'air, et, à l'emplacement 52,

sur la corne polaire inférieure de droite, se trouve l'en-

droit de largeur maximale de la fente d'air. L'aimant de rotor 16, est, comme dans le brevet DE-C 23 46 380, magnétisé en forme de trapèze (voir figure 5a de ce document) et il présente, comme expliqué plus haut, des coupures (magnétiques) de pôle 17 entre ses pôles. A l'état de repos, c'est-à-dire lorsque le moteur 10 ne reçoit pas de courant, ces coupures 17 se trouvent, comme l'indique la figure 5 (passage au zéro du moment de réluctance) en face des endroits 52 de fente

d'air maximale.

Entre les endroits 50 et 52, la fente d'air 19 croît régulièrement et, comme représenté, elle augmente, à

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partir de l'endroit 50, tout d'abord lentement, dans le sens opposé à la direction de rotation, environ sur la premiere moitié de l'arc de pôle, puis plus fortenment sur la seconde moitié. Cette allure est cbtenue, conformément à la figure 3, par une constitution en form e d -ecteur de cercle- Le centre 70 du cercle pour e p1e 4 e touve sur la bissectrice 71 eztre le es -"e s tarr0 et 41. et urne distance 73 du centre du paque% e t res.- est 4gale d-, p-refrv'en a; k de ià diai:Ate!jnd- t.ivepe 4 Le rayon du secteur de cercle es dsiFgn par 74 et, cone représenté, ce secteur, par exe.vpl e pDur he!e e -tator 41, s'étend, à l'endroit 50 tangerte!! ement Gars i 'enve ioppe cylindrique 49. Cette forme présence naturelliement de grands avantages du point de vue techniqu des--tampage. Le secteur annulaire s'etend donc, par 'xe]pie pour le pôle de stator 41, à partir de l'endroit 50 jusqu=à l'endroit 52. La

constitution des autres pôles de stator est exactement symé-

trique comme le montre la figure 4.

Dans la figure 5, l'emplacement de fente d'air minimale du pôle de stator 44, est désigne par 50'. On voit que, à partir de cet emplacement 50', vers l'emplacement 52, il se produit, dans un petit domaine angulaire de rotation (égal à environ le double de la largeur de l'ouverture de

gorge 44) une forte augmentation de la fente d'air en direc-

tion de la rotation, et ensuite la fente d'air 19 décroît

également tout d'abord fortement.

La forme du moment de réluctance est, dans des

moteurs de ce genre, largement déterminée par le mode d'aug-

mentation et de diminution de la fente d'air 19. Pour faci-

liter la compréhension, on peut se représenter la production du moment de réluctance comme etan" concentrée sans les coupures de pôles 17. (En réalité, la coupure de pôle 17 ne créée naturellement aucun moment de rotation car elle est largement non magnétique). Si la coupure de pôle s'étend du point 50' au point 52, il se produit un moment de réluctance entraîneur important, qui est désigné par 75 dans la figure 6B. Ce moment de réluctance est produit pendant un espace de temps étroit, pendant lequel aucun moment de rotation électromagnétique n'est amené au rotor 16. Comparer avec,

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dans la figure 6A les coupures 76 entre lesquelles des

courants imot passent dans le moteur.

Lorsque, ensuite, le rotor 16, entraîné électro-

magnétiquement, tourne à nouveau, la coupure de pôle 17 parcourt le domaine de fente d'air de 52 à 50, de sorte qu'est produit un moment réluctant de freinage qui est indiqué par 77 dans la figure 6B. Il est alors avantageux

que ce moment de freinage est relativement uniforme.

On obtient ainsi, d'une part, que, même dans le

cas de frottement à sec relativement important, caractéristi-

que de nombreux domaines d'emploi, par exemple pour des entraînements de mémoires à disques magnétiques, le rotor parvient toujours dans une position de démarrage correcte,

désignée par 52 dans la figure 6B, c'est-à-dire, correspon-

dant à la position de rotor représentée dans la figure 5 dans

laquelle la coupure de pôle 17 se trouve en face de l'empla-

cement 52 du stator.

D'autre part, malgré cette allure du moment de réluctance de freinage 72, on obtient une allure favorable du moment total. En effet, grâce au décalage mentionné du générateur de Hall, en direction opposée au sens de rotation 26, d'un angle 39, le courant de moteur, après la commutation,

croît rapidement jusqu'à une valeur maximale 80, qui corres-

pond à un moment de rotation électromagnétique produit maximal, et qui coïncide sensiblement dans le temps avec le maximum 78 du moment de réluctance, et, ensuite, en raison de la force contre-électromotrice élevée qui s'établit alors dans l'enroulement de stator en question, le courant de moteur chute dans le domaine 81, de telle sorte que le moment de rotation électromagnétique chute de manière correspondante, cette zone de décroissance 81 coïncidant sensiblement avec la zone de décroissance 79 du moment de réluctance de freinage. Autrement dit: le moment électromagnétique d'entraînement et le moment de réluctance sont accordés

entre eux de manière optimale.

Un tel moteur réunit donc en soi en exigences, apparemment contradictoires, d'une part, d'un démarrage sûr par frottement à sec, et, d'autre part, d'un moment total

largement uniforme. Etant donné que le démarrage est naturel-

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lement d'autant plus facile que le frottement est faible, ces moteurs conviennent parfaitement pour un large domaine d'emploi s'étendant du ventilateur d'appareils aux mémoires

à disques magnétiques.

La figure 6A montre en 82, avec une ligne en poin-

tillé, l'allure du courant de moteur dans le cas o le géné-

rateur de Hall 17 est disposé dans la zone magnétiquement neutre. Dans ce cas, il se produit un accroissement de courant plus lent et le maximum du courant 83 se trouve à

un autre emplacement, à savoir peu avant le point de commuta-

tion dans le temps. On obtiendrait ainsi un moment total de-

forme très irrégulière. En outre, la pointe de courant 83 produite par la coupure serait également très défavorable parce qu'elle pourrait causer, dans le paquet de tôles, des bruits de fond magnéto-strictifs. Grâce à l'invention, on obtient donc en même temps une marche du moteur peu bruyante

et sans perturbations électriques.

Naturellement, le même principe peut être utilisé avec un moteur à rotor intérieur. Il suffit de penser à une bande de caoutchouc dans la figure 5. Pour un moteur à rotor extérieur, la bande de caoutchouc doit être repliée vers le

haut, et, pour un moteur à rotor intérieur, vers le bas.

Pour obtenir un accroissement de courant rapide après la commutation, on peut également laisser le générateur de Hall 37 dans la zone neutre 38, et au lieu de cela, dans le cas d'aimants de rotor 16, on peut décaler un peu les brèches de pôle là o l'aimant de rotor commande le générateur de Hall 37. On obtient ainsi une forme plus compliquée de la magnétisation de rotor, mais également une commutation plus

rapide.

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Claims

- R E V E N D I C A T I;:, N S --

1. Moteur à courant continu sans collecteur à double impulsion (10) comportant une fente d'air à peu près cylindrique, avec un rotor intérieur ou extérieur (11, 16), à magnétisme permanent, dont la magnétisation est à peu près en forme de trapèze, et qui présente, entre les pôles, des brèches étroites de magnétisation (17), moteur comportant un enroulement (23, 24, 25), commandé par au moins un détecteur

de position angulaire de rotation (37) qui produit, en ser-

vice, un champ alternatif et ainsi un moment d'entraînement électromagnétique présentant une brèche d'interruption, une fente d'air étant prévue, entre le pourtour du stator (18) et le pourtour de rotor (16) lui faisant face, cette fente d'air étant efficace magnétiquement, et différente le long de l'angle de rotation pour produire un moment de réluctance, et, vue en direction de la rotation (26) croissante à chaque début d'un arc de pôle de stator (Tp) jusqu'à un maximum, et décroissant ensuite, de telle sorte que, à chaque extrémité d'un arc polaire de stator (tp), se trouve une gorge (44) ouverte en direction de la fente, moteur caractérisé en ce qu'un domaine d'efficacité magnétique faible de la fente d'air (19) s'étend en pratique, chaque fois, jusqu'à la gorge (44) à l'extrémité d'un arc polaire (Tr), et, vue en direction de la rotation, il se produit,

entre les bords de la gorge (44), et ensuite, un fort accrois-

sement de la fente d'air à efficacité magnétique, de l'ordre

de grandeur de la largeur de cette gorge.

2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la position du détecteur de position de rotation (37), et/ou du support d'information qui le commande, est constituée pour produire une commutation prématurée, et pour obtenir, dans le domaine d'une plus faible tension induite dans l'enroulement de stator, un accroissement de courant rapide dans l'enroulement de stator (23, 24, 25) commandé

par le détecteur (37).

3. Moteur suivant l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le domaine mention-

né de forte croissance, la fente d'air (19) augmente

jusqu'à un maximum (52).

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4. Moteur esui ant l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3, caractriseé en ce que la distance entre 1VICn-

droit de stator (52) à fente d'air- ma;:imae et le c-ynre enveloppe (49) du paquet de %t1es de stator (!S) est êgale à envircn 3 à 6 % du diamtre de ce'-e enfO. O t21 $ ur s- -?-l _ v t qe U _ i. n7- fZt- 'î3?' C r ev -F w4,a

rion' 1 a 4, c-:t on cs que, --.:-.--:_ - -?e:1 %on P-e!-

rotation 26 1-'{en -; -i: e....._r l-

rapider;fett-, à par;:ir a-i-a.,:u {. - '-2 r 1:--n is _;:ti.

0 de l'arc de pi-e de t ' L, et eensu, Grol.t lerta-

ment sur tautre- m itie.

6. Moteur suivan i evendica- ion 5, caract,-rise en ce que la fente d'air d-cro-,Esante s31etendl, dans le :a-.itn de la orge (44) làextr.rmite de l' arc rpo aire Tr tanqentiellement dans 1 'envelo:p}e cy indrique t 49 du paquet de tôles de stator (18) sur le côté de cette

enveloppe tourne vers la fente.

7. Moteur suivant l'une quelccnque des revendica-

tions 5 ou 6, dans lequel le moteur est constitué comme moteur à rotor extérieur à quatre pôles avec poles de s-tator estampés, caractérise en ce que les pôles de stator (40, 43) sont iformes par des secteurs de cercle (rayon 74) à partir de l'endroit à fente d'ai.r (52) maximale jusqu'à la corae de pôle de stator (par exemp!e 51) oriernte ern direction de la

rotation (26).

3. Mo;teur suivant la revendication 7, caracterisé en ce que le diamètre (rayon 74) du secteur de cercle s'élève à environ 85 à 95 o du diamètre de l'enveloppe cylindrique (491 de stator, côté fente d'air, et est de

préférence, égale C I1 -.9 de cette valeur.

9. Moteur suivant 1 'uns -iuelconque des revendica-

tions 7 ou 8, caracterisê en ce que le centre (70) du sec-

teur circulaire se trouve sensiblement sur les extrémités des bissectrices (71) entre le pôle de stator en question (41) et le pôle de stator (40) suivant en direction de la

rotation (26).

10. Moteur suivant l'une quelconque des revendica-

tions 7 à 9, caractérisé en ce que la distance entre le cen-

tre (70) du secteur de cercle et le centre de l'enveloppe il -4497419 cylindrique (49) s'élève à environ 3 à 6 % du diamètre de l'enveloppe.

11. Moteur suivant l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 10, caractérisé en ce que, dans le cas d'un moteur prévu pour une vitesse de rotation d'environ 3 000 tours/ minute, le détecteur de position de rotor (37) constitué par un palpeur galvanomagnétique, est décalé (39) d'environ O à 5 degrés en direction opposé au sens de rotation, hors

de la zone neutre (38), ou bien la magnétisation de l'ai-

mant de rotor, dans son domaine commandant ce palpeur (37), est décalée d'un angle correspondant dans le sens de la

rotation en vue d'obtenir une commutation plus rapide.

12. Moteur suivant l'une quelconque des revendica-

tions précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu pour

l'entraînement d'une mémoire à disques.