FR2541833A1 - Machine electrique a aimants permanents et procede de fabrication - Google Patents

Abstract

UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A AIMANTS PERMANENTS COMPREND NOTAMMENT UN ROTOR 110 MUNI D'AIMANTS PERMANENTS, UN STATOR 122 ET DES ENTREFERS 130, 132 ENTRE LES POLES DES AIMANTS DU ROTOR ET LE STATOR. LA LONGUEUR DES ENTREFERS EST DELIBEREMENT ACCRUE PAR RAPPORT AUX PRINCIPES DE CONCEPTION ANTERIEURS DE FACON A ETABLIR DANS LES ENTREFERS UNE INDUCTION MAGNETIQUE NOTABLEMENT INFERIEURE A L'INDUCTION MAGNETIQUE REMANENTE DES AIMANTS, CE QUI A POUR EFFET DE FAIRE FONCTIONNER LES AIMANTS AU VOISINAGE DE LEUR ENERGIE SPECIFIQUE MAXIMALE THEORIQUE, SANS ENTRAINER UNE DEMAGNETISATION IRREVERSIBLE DES AIMANTS. UN ENROULEMENT 124 EMPLIT PRATIQUEMENT LA TOTALITE DE L'ENTREFER DE FACON A MAXIMISER LA PUISSANCE DE SORTIE ET LE RENDEMENT DE CONVERSION DE PUISSANCE.

Description

MACHINE ELECTRIQUE A AIMANTS PERMANENTS

ET PROCEDE DE FABRICATION

La présente invention concerne les moteurs ou les génératrices électriques, et en particulier ceux utilisant un aimant permanent en tant que source de flux magnétique,-dans lesquels la densité d'énergie et la densité de puissance de

sortie du moteur ou de la génératrice (voir ci-après la défi-

nition de ces termes) sont maximiséesavec une amélioration

du rendement (c'est-à-dire du rapport de la puissance de sor-

tie à la puissance d'entrée) et une amélioration des caracté-

ristiques linéaires vitesse-couple, par rapport aux structu-

res à aimants permanents classiques, à des fréquences de

fonctionnement basses cil élevées.

Les termes suivants seront utilisés de temps à autre dans ce texte, et leurs significations respectives sont

présentées ci-dessous pour permettre de s'y reporter commodé-

ment: ( 1) Flux magnétique: caractéristique d'un champ d'énergie produit par une force magnétomotrice Lorsque la valeur de cette grandeur est modifiée, une tension est induite dans un conducteur électrique couplé au flux On se représente

le flux par une ou plusieurs lignes (imaginaires).

( 2) Induction magnétique (B): valeur du flux magnétique traversant une surface d'aire unité normale au

flux.

( 3) Induction magnétique de saturation (B) induc-

tion magnétique maximale qui peut être produite dans une matière C'est l'induction magnétique mesurée moins celle du vide.

( 4) Induction magnétique rémanente (B: induc-

tion magnétique d'une matière à aimantation permanente qui demeure après que la matière a été saturée et que l'intensité du champ magnétique a été réduite ensuite à zéro (on l'appelle encore quelquefois induction résiduelle). ( 5) Force magnétomotrice (F): distribution spatiale de la dérivée de la charge par rapport au temps, qui produit

le champ magnétique.

( 6) Intensité de champ magnétique (H): caractéris-

tique d'un champ magnétique liée à la force magnétomotrice

par une intégrale curviligne (c'est-à-dire la force magnéto-

motrice par unité de longueur), quelquefois appelée force coercitive Elle est générée par des boucles de courant ou par

un aimant permanent.

( 7) Intensité de champ magnétique intrinsèque (Ha) intensité de champ magnétique nécessaire pour réduire à zéro

l'induction magnétique dans une matière à aimantation perma-

nente, après qu'elle a été saturée (c'est-à-dire qu'elle est

égale à la force coercitive maximale).

( 8) Courbe de démagnétisation partie du cycle_

d'hystérésis d'une matière à aimantation permanente qui appa-

raît dans le second quadrant C'est un segment de courbe ter-

miné par B et H r C ( 9) Energie spécifique (BH) unité commode dans la

technique pour comparer des aimants permanents; c'est le pro-

duit de l'induction magnétique et dé l'intensité de champ magnétique en un point sur la courbe de démagnétisation d'une matière; ses dimensions sont celles d'une énergie par unité

de volume.

( 10) Energie spécifique maximale (B Hmax) produit de B et H supérieur à celui existant en n'importe quel autre

point sur la courbe de démagnétisation.

( 11) Densité d'énergie (E/V): énergie par unité de volume en unités SI, obtenue en divisant l'énergie spécifique

par une constante.

( 12) Densité de puissance de sortie: puissance de

sortie par unité de volume d'un moteur ou d'une génératrice.

( 13) Rendement de conversion de puissance: rapport de la puissance de sortie à la puissance d'entrée d'un moteur ou d'une génératrice - ( 14) Point de fonctionnement: point sur la courbe de démagnétisation d'un aimant permanent auquel l'aimant est utilisé dans un circuit magnétique Ce point est déterminé

par la valeur de l'entrefer et d'autres caractéristiques phy-

siques du circuit magnétique dans lequel l'aimant permanent est utilisé, ou par d'autres influences externes comme des

champs magnétiques externes ou la température.

( 15) Effet de denture: caractéristique de machines électriques employant des éléments dentés, consistant en ce qu'un couple est nécessaire pour faire tourner le rotor sur

une distance d'une dent à la suivante; on l'utilise avanta-

geusement dans les moteurs pas à pas.

( 16) Réluctance (R): rapport de la force magnéto-

motrice au flux magnétique dans un circuit magnétique ou un élément de celui-ci La réluctance d'un élément particulier d'un circuit est proportionnelle à 1 alongueur dans la direction

des lignes de flux et inversement proportionne 1 J à la perméa-

bilité magnétique et à son aire de section droite.

( 17) Caractéristique vitesse-couple linéaire

caractéristique d'un moteur selon laquelle son couple de sor-

tie diminue de façon pratiquement linéaire proportionnellement

à l'augmentation de sa vitesse de rotation.

Dans les machines électriques, telles que les moteurs et les génératrices, de conception classique utilisant des aimants permanents, qu'ils soient en Alnico, en ferrite, en cobalt ou d'autres types, on a tendance à faire fonctionner

l'aimant à un point de fonctionnement proche du-point d'induc-

tion magnétique rémanente, en maintenant un entrefer suffisam-

ment faible dans le circuit magnétique dans lequel l'aimant

est employé, pour minimiser la réluctance du circuit et maxi-

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miser ainsi l'induction Dans de telles machines électriques tournantes, l'aimant permanent qui constitue la source de flux magnétique dans le circuit magnétique peut être placé soit dans l'élément de rotor soit dans l'élément de stator, tandis que l'enroulement inducteur conducteur de la machine qui donne lieu à une interaction avec le circuit magnétique pour produire la rotation d'un moteur ou pour produire la puissance électrique de sortie d'une génératrice, est monté sur l'élément opposé en étant fixé de façon caractéristique à une culasse en un matériau magnétique doux avec lequel l'aimant permanent forme le circuit magnétique L'entrefer précité du circuit magnétique est établi normalement entre l'aimant permanent et la culasse et le fait de le minimiser

minimise habituellement la réluctance du circuit magnétique.

Le fait de minimiser ainsi la réluctance du circui t magnéti-

que établit un point de fonctionnement de l'aimant qui maxi-

mise le flux dans le circuit, conformément à l'équation fon-

damentale suivante du circuit a flux = force magnétomotrice réluctance Du fait de la faible perméabilité magnétique de l'air,

l'entrefer est normalement l'élément de génération de réluc-

tance le plus important dans le circuit (l'aimant et la

culasse ont habituellement une perméabilité magnétique éle-

vée, sauf s'ils sont affectés défavorablement par la tempéra-

ture ou un fonctionnement à fréquence élevée).

Pour minimiser l'entrefer afin de maximiser le flux dans les machines à aimants permanents, on utilise

habituellement des structures de culasse dentées qui définis-

sent entre les dents des espaces destinés à recevoir l'enrou-

lement et qui, en amenant les pointes des dents à proximité

immédiate de l'aimant permanent, tendent à minimiser l'entre-

fer effectif Dans le passé, certains concepteurs ont occa-

sionnellement abandonné les structures de culasse dentées dans des dispositifs à aimants permanents, pour des raisons

spéciales, comme pour empêcher l'effet de denture, pour per-

mettre une installation et un enlèvement aisés et économiques

de l'enroulement, pour faciliter la fabrication ou pour éli-

miner des harmoniques associées à la distribution du champ S entre les dents, pour obtenir un champ sinusoïdal Cependant, même lorsque le dispositif à aimants permanents ne comporte pas de telles dents, les concepteurs ont néanmoins essayé de minimiser autant que possible l'entrefer, afin de maximiser le flux dans le circuit magnétique Le brevet U S 4 130 769 montre un exemple de structure à aimants permanents lisse de l'art antérieur, qui utilise une structure de culasse lisse pour permettre une installation et un enlèvement économiques de l'enroulement, mais dans laquelle on s'efforce néanmoins de minimiser l'entrefer, compte tenu de la plus petite taille

d'enroulement satisfaisant les exigences de-couple du moteur.

Dans le brevet U S 4 135 107, on utilise également une structure de culasse lisse pour éliminer des harmoniques afin d'obtenir un champ sinusoidal, mais en s'efforçant de façon

similaire de minimiser l'entrefer en utilisant dans la struc-

ture un rotor aussi grand que possible Des structures de culasse lisses similaires sont représentées dans les brevets

U S 2 952 788, 3 360 668, 4 019 075 et 4 080 540.

Plusieurs raisons ont conduit à minimiser l'entre-

fer et donc à maximiser le flux dans le circuit magnétique

des moteurs et génératrices à aimants permanents antérieurs.

Une raison réside dans la connaissance du fait que la puis-

sance de sortie développée par un tel moteur ou génératrice est proportionnelle à l'induction dans le circuit magnétique et, du fait qu'on désire habituellement maximiser la puissance

de sortie, on désire de façon correspondante maximiser l'in-

duction. Un point plus important consiste en ce que les

enseignements antérieurs ont fortement encouragé les concep-

teurs à faire fonctionner les aimants permanents à des induc-

tions élevées, à cause du danger de démagnétisation irréversi-

ble de l'aimant permanent Le problème de la démagnétisation

irréversible dans tout moteur ou génératrice à aimants perma-

nents est un problème grave du fait que diverses influences externes peuvent changer le point de fonctionnement d'un aimant permanent pendant le fonctionnement de façon à amener

ce point trop près du "coude" de la courbe de démagnétisation.

Ensuite, si l'induction est diminuée davantage pour n'importe quelle raison, puis augmentée, le point de fonctionnement ne revient plus sur la courbe de démagnétisation d'origine, mais

sur une boucle mineure de la courbe, pour arriver à une induc-

tion inférieure Si les effets externes qui produisent un tel décalage du point de fonctionnement se poursuivent d'une manière cyclique, une démagnétisation supplémentaire peut avoir lieu au cours de variations cycliques ultérieures le

long de boucles mineures diminuant successivement qui appa-

raissen-t l'une après l'autre, jusqu'à l'apparition d'une bou-

cle mineure finale qui soit réversible Lorsque ce stade est -

atteint, aucune démagnétisation supplémentaire ne-se produit

mais l'aimant fonctionne ensuite à une induction très infé-

rieure, avec une perte d'énergie correspondante Les influen-

ces externes qui peuvent produire une telle démagnétisation, en cas d'établissement d'un point de fonctionnement initial correspondant à une induction relativement basse, sont les suivantes: ( 1) des variations de température qui changent la configuration de la courbe de démagnétisation; ( 2) des variations de la réluctance du circuit magnétique, dues à la température, à la fréquence ou à des variables mécaniques, qui tendent à augmenter la réluctance, à diminuer-l'induction et donc à décaler le point de fonctionnement plus bas sur la courbe de démagnétisation; et ( 3) des variations des champs magnétiques inverses externes qui sont créés par l'enroulement

du dispositif A cause de ces dangers, les enseignements anté-

rieurs ont toujours recommandé au concepteur de sélectionner un point defonctionnement qui, lorsqu'on considère les niveaux de température attendus, se trouve notablement-au-dessus du

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coude de la courbe de démagnétisation, et corresponde donc

à une induction relativement élevée, proche du point d'induc-

tion rémanente Comme indiqué ci-dessus, on réalise ceci en

minimisant la taille de l'entrefer.

La plupart des concepteurs savaient précédemment qu'en dépit du fait qu'elle maximise la puissance de sortie

d'un moteur à aimants permanents et empêche une démagnétisa-

tion irréversible, la pratique acceptée de façon générale et

décrite ci-dessus, consistant à minimiser la taille de l'en-

trefer et à maximiser l'induction, ne conduit théoriquement pas à un moteur à aimants permanents ayant la densité de puissance de sortie la plus élevée possible (c'est-à-dire qu'elle ne procure théoriquement pas un moteur à aimants permanents ayant le plus petit volume possible-en étant capa ble de produire une-puissance de sortie donnée) Ceci vient

du fait que, bien que la puissance de sortie soit propor-

tionnelle au couple de sortie qui-est lui-même proportionnel

à l'induction, la densité de puissance de sortie est inverse-

ment proportionnelle aux dimensions de l'aimant permanent (c'est-à-dire à sa longueur entre les p 8 les et à son aire dans un plan normal à la direction du flux) Ces dimensions

affectent le volume global du moteur Les courbes de déma-

gnétisation d'aimants permanents sont telles que-des augmenta-

tions d'induction produisent des diminutions correspondantes

de l'intensité de champ magnétique, et inversement Par con-

séquent, conformément à l'équation fondamentale du circuit magnétique précitée, un pourcentage d'augmentation donné de l'induction nécessite, à cause de la diminution correspondante de l'intensité de champ magnétique, une augmentation plus que proportionnelle de la -longueur de l'aimant pour compenser l'intensité de champ magnétique réduite, de façon à produire

ainsi une force magnétomotrice suffisante (produit de l'inten-

sité de champ de l'aimant H et de la longueur de l'aimant L)

pour établir l'induction accrue De façon similaire, un pour-

centage d'augmentation donné de l'intensité de champ -magnéti-

que nécessite, à cause de la diminution correspondante de l'induction, une augmentation plus que proportionnelle de l'aire de l'aimant pour maintenir un flux désiré Le défaut de proportionnalité de l'augmentation des dimensions de l'aimant qui interviennent augmente lorsqu'on maximise

l'induction ou l'intensité de champ magnétique, selon le cas.

Ceci indique que la densité de puissance de sortie la plus élevée correspond donc à un point de fonctionnement sur la courbe de démagnétisation qui se trouve quelque part entre l'induction maximale et l'intensité de champ maximal On a montré de façon mathématique qu'on obtient la densité de puissance de sortie théorique maximale en faisant fonctionner l'aimant à un point sur la-courbe de démagnétisation pour lequel le produit de l'induction et de l'intensité de champ magnétique (c'est-à-dire l'énergie spécifique de l'aimant

permanent) est maximal.

Cependant, le désir de maximiser la puissance de sortie (au lieu de la densité de puissance de sortie) ou,

plus couramment, la crainte d'une démagnétisation irréversi-

ble de l'aimant permanent s'il fonctionne près du point de fonctionnement correspondant à la densité de puissance de sortie maximale théorique, ont imposé le principe'contraire, et accepté de façon générale, consistant à maximiser l'induc tion, comme indiqué ci-dessus Par conséquent, même lorsqu'un

objectif de conception est de maximiser la densité de puissan-

ce de sortie de dispositifs à aimants permanents, la solution traditionnelle, à cause de la crainte d'une démagnétisation irréversible, est de sélectionner une matière à aimantation permanente ayant une induction rémanente relativement élevée,

comme un aimant en Alnico, etde minimiser l'entrefer pour.

maximiser l'induction, du fait qu'on considère que ceci est le moyen pratique pour maximiser la densité de puissance de sortie (c'est-à-dire d'une manière qui respecte la stabilité de l'aimant permanent) Ceci est l'opposé de la sélection d'un point de fonctionnement sur la courbe de démagnétisation

situé exactement ou approximativement à l'induction inférieu-

re qui correspond au point pour lequel l'énergie spécifique

et la densité de puissance de sortie théorique sont maximales.

Des entrefers n'existent pas nécessairement unique-

ment entre le rotor et le stator d'un dispositif à aimants permanents Par exemple, la société Siemens de la R F A a commercialisé précédemment un moteur ayant un stator lisse et

un rotor consistant en un aimant permanent tubulaire cylindri-

que à deux pâles en Alnico, avec un noyau en zinc non

magnétique à l'intérieur de l'aimant permanent tubulaire.

Ainsi, outre-le fait qu'il existe un entrefer entre le rotor et le stator, il existe également, du fait que le zinc est non magnétique, un très grand entrefer dans le circuit magnétique, à l'intérieur de l'aimant permanent tubulaire lui-même, et ceci augmente fortement la réluctance du circuit Des tests effectués sur ce moteur particulier indiquent que les grands entrefers présents dans son circuit magnétique créent une réluctance tellement élevée dans le circuit que son induction mesurée est approximativement-égale au dixième de l'induction rémanente de l'aimant permanent en Alnico, ce qui indique un

point de fonctionnement loin au-dessous du "coude" de sa cour-

be de démagnétisation et indique qu'un degré élevé de démagné-

tisation irréversible de l'aimant a été atteint Du fait que

ceci fait une très mauvaise utilisation de la-capacité énergé-

tique de l'aimant, cet exemple montre pourquoi les principes de conception acceptés de façon générale pour les moteurs et les génératrices à aimants permanents imposent de minimiser

l'entrefer du circuit magnétique et donc de maximiser l'induc-

tion, afin de maintenir le point de fonctionnement de l'aimant

aussi loin que possible de la zone dans laquelle une démagné-

tisation irréversible peut se produire -

Il faut noter que les mêmes principes de conception et les mêmes problèmes ne s'appliquent pas nécessairement à des dispositifs à aimants non permanents, c'est-à-dire lorsque

la force magnétomotrice du circuit magnétique est produite pen-

dant le fonctionnement Il y a plusieurs raisons à ceci Pre-

mièrement, il n'y a pas de risque de démagnétisation irréver-

sible de dispositifs à aimants non permanents Secondement, alors que les aimants permanents fonctionnent le long d'une courbe de démagnétisation dans le second quadrant, dans laquelle une relation pratiquement prédéterminée existe entre l'intensité de&champ magnétique, l'induction et la réluctance du circuit magnétique, les aimants à induction non permanente fonctionnent dans le premier quadrant de leurs courbes d'hystérésis, dans lequel l'intensité du champ magnétique et l'induction ne dépendent pas nécessairement de la-réluctance du circuit magnétique, mais peuvent dépendre essentiellement d'un champ magnétique induit Il existe donc un certain nombre d'exemples de machines à aimants non permanents, comme celles représentées dans les brevets U S 3 082 337, 3 963 950 et 4 238 702, dans lesquels on a utilisé des culasses lisses et des entrefers larges, à réluctance relativement élevée, à

cause de la plus grande souplesse dans la conception du cir-

cuit magnétique qui est permise par l'utilisation d'aimants non permanents Cependant, un tel élargissement de l'entrefer se paye au niveau du rendement, du fait qu'une plus grande puissance d'entrée, avec des pertes thermiques résultantes plus élevées, est nécessaire pour induire la même induction magnétique dans un circuit magnétique à réluctance élevée, en

comparaison d'un circuit magnétique à faible réluctance.

Il existe également certains types de dispositifs à aimants permanents, comme celui qui est représenté dans le brevet U S 4 151 431, qui font intervenir des principes et des problèmes différents, du fait qu'ils sont dépourvus de

culasses et/ou d'enroulements.

En retournant à la conception de machines à aimants permanents du type plus normal comportant des culasses et des enroulements, qui font l'objet de l'invention, on voit que l'explication précédente a fait apparaître la raison pour laquelle les concepteurs ont suivi le principe consistant en

ce que le moyen pratique pour maximiser la densité de puis-

sance de sortie d'un aimant permanent dans un moteur ou une génératrice est de minimiser la réluctance et de maximiser l'induction du circuit magnétique, essentiellement pour éviter une démagnétisation irréversible Ceci a constitué la techni- que classique, malgré la connaissance du fait que la densité de puissance de sortie maximale théorique n'apparaît pas en

fait à une induction élevée, près du point d'induction réma-

nente sur la courbe de démagnétisation, mais apparaît au con-

traire à une induction inférieure, sur une partie intermédiai-

re de la courbe de démagnétisation dans laquelle, bien que le facteur d'induction de l'énergie spécifique soit quelque peu

réduit, le facteur d'intensité de champ magnétique est forte-

ment augmenté, ce qui fait que le produit des deux est à sa valeur maximale (Ceci s'oppose à la situation qui existe dans le premier quadrant d'une courbe d'hystérésis, applicable à des aimants non permanents, dans laquelle le point d'énergie spécifique maximale théorique-correspond normalement au point d'induction maximale) Bien que le point de fonctionnement correspondant au maximum théorique pour l'énergie spécifique

et la densité de puissance de sortie, sur la courbe de déma-

gnétisation d'un aimant permanent,ait été évité par l'homme de l'art pour les raisons précédentes, il serait néanmoins extrêmement avantageux pour maximiser la densité de puissance

de sortie, et donc les caractéristiques économiques de dispo-

sitifs à aimants permanents, de concevoir un moyen pratique par lequel il soit possible d'utiliser effectivement le point de fonctionnement théorique correspondant au maximum de

l'énergie spécifique et de la densité de puissance de sortie.

Cependant, le fait de résoudre le problème de la démagnétisation irréversible pour faire fonctionner l'aimant permanent à son point théorique d'énergie spécifique maximale,

ou au voisinage de ce point, ne résout pas tous les problèmes.

Il demeure les problèmes consistant à maximiser la puissance -

de sortie en dépit de l'induction réduite, et à faire ceci

d'une manière qui minimise les exigences de puissance d'en-

trée et soit favorable au point de vue de la caractéristique vitessecouple linéaire du dispositif à aimants permanents

(ceci contribuant à simplifier la commande précise du dispo-

sitif) Ces problèmes sont essentiellement des problèmes de

rendement de conversion d'énergie pour lesquels on doit mini-

miser la dissipation de chaleur correspondant à des pertes.

On pourrait procéder d'un certain nombre de maniè-

res différentes pour établir un point de fonctionnement à induction réduite correspondant au maximum théorique de l'énergie spécifique et de la densité de puissance de sortie d'un aimant permanent Du fait qu'une réduction de l'induction dans le circuit magnétique jusqu'à un point intermédiaire sur la courbe de démagnétisation, situé très au-dessous du point d'induction rémanente, est nécessaire pour obtenir le point de fonctionnement correspondant à l'énergie spécifique maximale

théor-ique, et du fait que l'induction est inversement propor-

tionnelle à la'réluctance du circuit magnétique, conformément

à l'équation fondamentale du circuit magnétique indiquée-

ci-dessus, on peut envisager divers moyens différents pour augmenter la réluctance du circuit afin d'obtenir le point de fonctionnement désiré Un procédé possible consiste à régler

l'entrefer entre l'aimant permanent et la culasse,(c'est-à-

dire à l'élargir); un autre procédé possible consiste à introduire un, entrefer à un autre emplacement dans le circuit magnétique, comme à l'intérieur d'un rotor sous la forme d'un aimant permanent tubulaire creux, en emplissant l'intérieur avec de l'air ou une matière non magnétique; et une autre possibilité consisterait à réduire-la perméabilité ou l'aire de section droite de la matière de la culasse pour augmenter

ainsi sa réluctance Une trop grande augmentation de la réluc-

tance du circuit par l'un quelconque de ces moyens entraîne-

rait un fonctionnement de l'aimant permanent à une induction

située trop loin au-dessous de celle correspondant à son éner-

gie spécifique maximale, diminuant ainsi la densité de puissan-

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ce de sortie et augmentant la probabilité d'une démagnétisa-

tion irréversible, comme dans le cas du moteur Siemens préci-

té En outre, une seule de ces possibilités optimisera le

rendement de conversion de puissance en minimisant la dissi-

pation de chaleur correspondant-à des pertes La réduction

de la perméabilité ou de l'aire de section droite de la matiè-

re de la culasse aura uniquement pour effet d'augmenter la dissipation de chaleur, tandis que le fait d'intercaler un entrefer à un emplacement autre qu'entre l'aimant permanent et la culasse ne fera rien pour minimiser la dissipation de chaleur. Un autre problème qui a affecté les moteurs et les génératrices à aimants permanents est le problème des pertes excessives dans la culasse en haute fréquence, sous la forme de pertes thermiques par hystérésis et par courants de Foucault, qui ont un effet défavorable sur le rendement, créent des caractéristiques vitessecouple exagérément non linéaires et limitent la fréquence de fonctionnement maximale de l'enroulement, ainsi que la vitesse de rotation du moteur ou de la génératrice Les brevets U S 3 657 583 et 2 885 645 et le brevet GB 760 269 indiquent tous l'avantage qu'il y a à utiliser pour la matière de la culasse un ferrite

à magnétisme doux, pour réduire les pertes d'énergies préci-

tées dans la culasse, dans les applications à haute fréquence de dispositifs à aimants non permanents Cependant, du fait que la plupart des aimants permanents ont des inductions rémanentes plus élevées que l'induction de saturation du ferrite à magnétisme doux et sont habituellement utilisés près de ces inductions rémanentes pour les raisons décrites

ci-dessus, et du fait que les principes de conceptions classi-

ques de toutes les machines électriques nécessitent que l'in-

duction de saturation de la culasse soit au moins aussi grande que l'induction disponible pour le circuit magnétique, afin d'utiliser pleinement l'induction disponible, on a considéré qu'il était impossible d'utiliser du ferrite à magnétisme doux la ou d'autres matières éventuellement avantageuses pour la culasse, en combinaison avec des aimants permanents ayant

des inductions rémanentes supérieures à l'induction de satu-

ration de la matière de la culasse On ne peut donc trouver aucune indication concernant la manière de procéder pour pro- fiter de telles matières de culasse potentiellement avanta-

geuses dans des dispositifs employant des aimants permanents ayant des inductions rémanentes supérieures à l'induction de

saturation de la matière de la culasse.

Ce dont on a besoin est donc une technique de con-

ception pour des moteurs et génératrices à aimants permanents qui permette de faire fonctionner les aimants permanents à

P;eurs 'points de fonctionnement correspondant au maximum théo-

rique de l'énergie spécifique et de la densité de puissance de sortie, ou au voisinage de ces points, sans démagnétisation irréversible des aimants permanents En outre, la manière selon laquelle de tels points de fonctionnement sont établis doit être celle qui convient le mieux pour maximiser la puissance de sortie, le rendement de conversion de puissance et la linéarité des caractéristiques vitesse-couple du dispositif à aimants permanents Enfin, la conception doit faire en sorte que l'utilisation de ferrite à magnétisme doux, et d'autres matières avantageuses à faibles pertes pour la culasse, soit

compatible avec l'utilisation de matières pour aimants perma-

nents ayant des inductions rémanentes supérieures à l'induc-

tion de saturation de la matière de -la culasse.

L'invention porte sur des principes relatifs à la conception et au fonctionnement de moteurs et de génératrices à aimants permanents, essentiellement du type tournant sans collecteur, mais elle est également applicable à d'autres types tels que ceux employant un mouvement rectiligne, qui

satisfont d'une manière compatible toutes les exigences con-

currentes décrites ci-dessus, pour maximiser la densité de puissance de sortie, le rendement de conversion de puissance

et la linéarité des caractéristiques vitesse-couple L'appli-

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cation des principes de l'invention conduit à la machine à

aimants permanents la plus petite et ayant le meilleur rende-

ment pour une matière d'aimant permanent donné et pour un niveau de puissance de sortie donné ou, autrement dit, elle conduit à la machine à aimants permanents la plus puissante et ayant le meilleur rendement pour un volume externe donné

et une matière d'aimant permanent donnée.

La manière choisie pour fixer le point de fonc-

tionnernent de l'aimant permanent au point du maximum théori-

que de l'énergie spécifique sur la courbe de démagnétisation de l'aimant, ou au voisinage de ce point, consiste à régler (c'est-à-dire à élargir) l'entrefer entre l'aimant permanent et la culasse, et à augmenter ainsi la réluctance du circuit magnétique d'une manière suffisante pour réduire l'induction du circuit et de l'aimant permanent à une induction qui e st

voisine de l'induction correspondant au point de fonctionne-

ment qui donne l' énergie spécifique maximale théorique On

évite de plusieurs façons le risque de démagnétisation irré-

versible qu'on prévoit normalement du fait de ce choix du point de fonctionnement L'une d'elles consiste à employer des aimants patmanents sélectionnés parmi un groupe exclusif dont les courbes de démagnétisation ont une forme telle que des variations du point de fonctionnement dues aux influences externes mentionnées précédemment, ne soient susceptibles de

produire qu'une démagnétisation réversible, et non irréversi-

ble, bien que le point de fonctionnement se trouve à proximité

du point correspondant à l'énergie spécifique maximale théori-

que Ce groupe exclusif d'aimants comprend les aimants permna-

nents en ferrite au baryum ou au strontium, les aimants per-

manents associantdu cobalt et une terre rare ou une autre matière (comme le samarium-cobalt et le platine-cobalt) et d'autres aimants permanents d'un type ayant des rapports ne

dépassant pas environ 2:1 entre les valeurs de leurs induc-

tions magnétiques rémanentes et de leurs intensités de champ magnétique intrinsèques; ou des mélanges d'entre eux Les aimants permanents à l'Alnico (aluminium-nickel=cobalt) ne

font pas partie du groupe.

Le choix d'un entrefer élargi entre l'aimant per-

manent et la culasse, en tant que moyen de fixation du point de fonctionnement correspondant à l'énergie spécifique maxi-

male théorique, contribue également à empêcher une démagnéti-

sation irréversible en minimisant l'effet sur le point de fonctionnement de changements dans les champs magnétiques inverses externes qui sont créés par l'enroulement, et en minimisant les effets de variationsde température sur la courbe de démagnétisatioxv et sur la réluctance du circuit

magnétique, qui sont dûs à la chaleur dissipée dans l'enrou-

lement, pour des raisons qu'on expliquera par la suite.

Le choix d'un entrefer élargi est en outre impor-

tant pour maximiser la puissance de sortie et le rendement

de conversion de puissance de la machine à aimants permanents.

Du fait-que, conformément à l'invention, la taille de l'entre-

fer est déterminée exclusivement par le point de fonctionne-

ment désiré pour l'aimant permanent (au lieu de l'être par d'autres facteurs tels que la taille de l'enroulement, comme

dans le brevet U S 4 130 969 précité), et du fait que l'en-

trefer est agrandi pour produire l'induction réduite corres-

pondant au point de fonctionnement désiré, on peut utiliser un enroulement d'aire de section droite plus grande, ayant des spires individuelles de plus forte section et/ou un plus

grand nombre de spires emplissant l'entrefer agrandi L'entre-

fer agrandi procure des avantages importants lorsqu'il est employé en combinaison avec un point de fonctionnement de l'aimant permanent situé au point correspondant à l'énergie spécifique maximale, ou au voisinage de ce point Par exemple, le rapport entre la génération de chaleur par effet Joule dans l'enroulement et la puissance de sortie sera réduit du fait de la résistance réduite de plus grands enroulements individuels, du fait de leurs sections transversales accrues, ce qui aura pour effet d'augmenter le rendement de conversion de puissance 1-7 en minimisant les pertes thermiques De façon similaire, un nombre accru de spires dans une configuration parallèle ou série permet une réduction du courant dans chaque spire qui

est -suffisante, lorsqu'on la compare au nombre accru de spi-

res, pour réduire également le rapport entre la génération de chaleur par effet Joule et la puissance de sortie On peut voir d'après la relation de Joule, P = I 2 R, que la dissipation de chaleur varie proportionnellement au carré

du courant et à la première puissance de la résistance.

Ainsi, bien que la valeur de la résistance puisse être augmentée par l'adjonction de spires aux enroulements, la réduction du courant, figurant à la seconde puissance, qui est ainsi permise a un plus grand effet sur la puissance totale dissipée que l'augmentation de résistance, figurant à

la première puissance.

Le fait de minimiser la génération de chaleur par

effet Joule minimise également les fluctuations de températu-

re du dispositif, ce qui minimise les effets de démagnétisa-

tion sensibles à la température envisagés ci-dessus, empêche

un échauffement excessif d'autres composants voisins sensi-

bles à la température, et améliore la linéarité des caracté-

ristiques vitesse-couple du dispositif De plus, l'enroule-

ment agrandi compense les réductions possibles de puissance -

de sortie qui pourraient par ailleurs résulter de l'induction réduite qui est liée au point de fonctionnement correspondant

à l'énergie spécifique maximale théorique.

En outre, l'entrefer agrandi contribue à empêcher une démagnétisation irréversible, en minimisant l'effet sur le point de fonctionnement de l'aimant de changements dans

les champs magnétiques inverses externes qui sont créés par-

l'enroulement Conformément à l'équation fondamentale précitée

du circuit magnétique, le flux total dans le circuit magnéti-

que, comprenant non seulement celui qui est créé par l'aimant permanent, mais également celui qui est créé par le champ magnétique inverse externe de l'enroulement, est le suivant fmm de l'aimant (H m LM) fmm de l'enroulement (NI) flux = réluctance

L'équation permet de voir que, même si la force magnétomo-

trice (fmm) de l'enroulement (NI) est augmentée en emplissant avec l'enroulement l'entrefer agrandi, pour augmenter-le courant ou le nombre de spires afin de compenser une induction réduite de l'aimant permanent qui correspond au point de l'énergie spécifique maximale, la réluctance accrue du circuit magnétique qui est due à l'agrandissement de l'entrefer aura normalement un effet de réduction sur le niveau du flux magnétique démagnétisant que l'enroulement induit dans l'aimant permanent Par exemple, si la longueur de l'entrefer était doublée de façon à doubler la réluctance par la suppression des dents de la culasse ou, en l'absence de telles dents, par la diminution de la taille d'un rotor à aimants permanents situé à l'intérieur d'un enroulement qui l'entoure, l'aire de section droite de l'entrefer qui pourrait être emplie par l'enroulement ne serait pas doublée par cette opération Par conséquent, bien que la réluctance du circuit serait doublée, le nombre de spires et donc la force magnétomotrice et le flux démagnétisant résultant induits dans l'enroulement permanent par l'enroulement seraient moins que doublés De ce fait, les excursions de

part et d'autre du point de fonctionnement de l'aimant perma-

nent, produites par le flux démagnétisant de l'enroulement

seraient en réalité réduites, facilitant ainsi davantage la-

fixation du point de fonctionnement près du "coude" de la courbe de démagnétisation (c'est-à-dire à proximité de

l'énergie spécifique maximale), sans risque de démagnétisa-

tion irréversible.

L'élargissement de l'entrefer entre l'aimant perma-

nent et la culasse, et son utilisation avantageuse de la manière décrite ci-dessus, sont rendus possibles par la prise

en considération du fait que si on fixe le point de fonction-

nement de l'aimant permanent en élargissant l'entrefer, un tel point de fonctionnement est pratiquement indépendant du

flux magnétique qui est introduit par les enroulements.

On notera que si on suppose que la quasi-totalité de la réluctance du circuit magnétique est localisée dans l'entrefer agrandi, l'énergie générée par l'aimant permanent, c'est-à-dire le produit de son induction et de son intensité

de champ magnétique, est virtuellement concentrée dans l'en-

trefer, dans lequel elle donne lieu à une interaction avanta-

geuse avec l'enroulement Ainsi, si on utilise le point de fonctionnement d'énergie spécifique maximal, la densité d'énergie de l'aimant et la densité d'énergie dans l'entrefer

sont toutes deux pratiquement maximisées.

Avec les points de fonctionnement à induction éle-

vée qui sont sélectionnés pour les aimants permanents dans la

théorie de conception antérieure, il était nécessaire d'emplo-

yer pour la culasse des matières capables d'accepter des

niveaux de flux magnétique élevés de façon correspondante.

Cependant, avec les inductions plus faibles qu'on obtient

lorsqu'on fonctionne près du point d'énergie spécifique maxi-

mal théorique sur la courbe de démagnétisation, conformément à l'invention, on peut utiliser pour la culasse des matières

ayant des inductions de saturation beaucoup plus faibles.

Ceci permet alors d'utiliser pour la culasse des matières telles que des métaux amorphes ou du ferrite à magnétisme

doux, avec leurs caractéristiques avantageuses de pertes fai-

bles en haute fréquence, en combinaison avec des aimants per-

manents ayant des inductions rémanentes très supérieures à

l'induction de saturation de la matière de la-culasse.

L'établissement du point de fonctionnement au point d'énergie spécifique maximaleou au voisinage de celui-ci, favorise en outre l'obtention d'un rendement de conversion de puissance élevée et la linéarité des caractéristiques vitesse-couple

dans les applications à haute fréquence, en minimisant les per-

tes thermiques dans la culasse, ce qui est obtenu en assurant la compatibilité entre une matière de culasse à faibles pertes

2.541833.

en haute fréquence et à faible induction de saturation, et des aimants permanents ayant des inductions rémanentes plus élevées En outre, du fait que la réluctance d'une telle matière de culasse n'augmente pas dans les mêmes proportions que celle du fer ou d'autres matières de culasseutilisées précédemment avec de tels aimants permanents, en présence

d'une augmentation de la fréquence de fonctionnement, la-sta-

bilité de la réluctance du circuit magnétique et donc du point de fonctionnement est elle-même maximisée, ce qui réduit

encore'davantage la probabilité d'une démagnétisation irréver-

sible de l'aimant permanent.

La demanderesse a établi une formule mathématique générale qui permet de concevoir le circuit magnétique de n'importe quel moteur ou génératrice à aimants permanents, de façon à atteindre le but consistant à faire fonctionner les aimants permanents à leur point de fonctionnement d'énergie spécifique maximale théorique, ou au voisinage de ce point La formule établit un rapport désiré entre la longueur totale de tous les entrefers dans un circuit magnétique et la longueur

totale de tous les aimants permanents dans le même circuit.

D'après la formule, le rapport est proportionnel au rapport entre une intensité de champ magnétique intrinsèque imaginaire de la matière d'aimant permanent particulière qui est employée (déterminée par la prolongation jusqu'à l'axe d'intensité de champ de la partie de la courbe de démagnétisation de l'aimant qui se trouve au-dessus'du "coude"), et l'induction rémanente de la matière d'aimant permanent particulière La formule est la suivante: L &i I "Hco

L B

mt r Dans cette formule, Lgt est la longueur totale de tous les entrefers dans le circuit magnétique, Lmt est la longueur totale de tous les aimants permanents dans le même circuit, o est la perméabilité de l'espace libre ( 4 Tr x 10-7 en unités

SI), Hcp est l'intensité de champ magnétique intrinsèque ima-

cp

254 1833

ginaire des aimants, projetée à partir de la partie de leur courbe de démagnétisation qui se trouve au-dessus du coude, et Br est l'induction rémanente des aimants permanents La formule est une approximation simplifiée du fait qu'elle repose sur certaines hypothèses, parmi lesquelles les hypo- thèses que la partie de la courbe de démagnétisation située au-dessus du coude est pratiquement une ligne droite, qu'il n'y a pas de variations de température notables et qu'il n'y a pas de flux de fuite Si on prévoyait une variation de

température notable (par exemple à cause de conditions exter-

nes), il serait sage d'appliquer la formule de conception à la courbe de démagnétisation de l'aimant à la température de

fonctionnement la plus basse prévue, pour minimiser la-proba-

bilité de démagnétisation thermique.

Du fait des caractéristiques des courbes de déma-

gnétisation des aimants à base de ferrite, de terres rares

ou de cobalt auxquels l'invention est spécialement applica-

ble, comme on l'a envisagé précédemment, la formule donne

habituellement un résultat optimal pour lequel Lgt est app Iro-

ximativement égal à Lmt 9 ce qui correspond à un rapport entre la longueur totale des entrefers et la longueur totale-des

aimants qui est très supérieur à ce qui était utilisé précé-

demment dans les structures de moteurs et de génératrices à aimants permanents conformes aux principes de conception antérieurs, qui tendent à maximiser l'induction Conformément à l'invention, le rapport de Lgt à Lmt doit être compris dans la plage de 0,5 à 2,0, et de préférence dans la plage de 0,8

à 1,2, en fonction de la matière d'aimant permanent particu-

lière. Un but principal de l'invention est donc d'imaginer une façon de procéder pour faire fonctionner des moteurs et

des génératrices à aimants permanents à un point de fonction-

nement de l'aimant permanent qui coïncide avec le point de fonctionnement d'énergie spécifique maximalethéorique, ou qui

soit proche de ce point, sans entraîner de ce fait une déma-

gnétisation irréversible de l'aimant permanent, afin de maxi-

miser la densité d'énergie de l'aimant permanent et la densi-

té d'énergie dans l'entrefer.

Un autre but principal de l'invention est de maxi-

miser la densité de puissance de sortie et le rendement de conversion de puissance du moteur ou de la génératrice à aimants permanents, d'une manière compatible avec le point de fonctionnement précité, correspondant à l'énergie spécifique

maximale théorique.

Un but principal supplémentaire de l'invention est

de rendre l'utilisation d'aimants permanents ayant des induc-

tions rémanentes relativement élevées-compatible avec l'uti-

lisation de matières de culasse ayant des inductions de satu-

ration notablement inférieures à ces inductions rémanentes, afin de permettre de bénéficier des avantages de telles matières de culasse, comme un ferrite à magnétisme doux,

s'ils sont nécessaires pour l'application particulière.

Un aspect de l'invention porte sur un procédé de

fabrication d'une machine électrique comprenant les opéra-

tions consistant à monter'un aimant permanent et une culasse selon une relation mutuelle prédéterminée, à intercaler un enroulement conducteur de l'électricité dans l'entrefer entre l'aimant et la culasse, et à permettre un mouvement relatif entre l'aimant et l'enroulement, l'aimant et la culasse étant mutuellement séparés par un entrefer de taille prédéterminée, la culasse et l'entrefer formant un circuit magnétique dans

lequel l'aimant fonctionne à une induction magnétique prédé-

terminée et à une intensité de champ magnétique prédéterminée, tandis que le produit de l'induction prédéterminée et de l'intensité de champ prédéterminée correspond à une énergie spécifique, cette induction prédéterminée et cette intensité de champ prédéterminée étant déterminées par la taille de

l'entrefer et l'aimant ayant une induction rémanente prédéter-

minée et une énergie spécifique maximale prédéterminée qui

correspond à une induction inférieure à l'induction rémanen-

254 1833

te; et ce procédé est caractérisé en ce qu'on sélectionne la taille de l'entrefer de façon à obtenir une induction et une intensité de champ prédéterminées correspondantes qui maximisent pratiquement l'énergie spécifique, de façon à faire fonctionner l'aimant à proximité du point d'énergie

spécifique maximal pendant le mouvement relatif.

Un autre aspect de l'invention porte sur une machine électrique comprenant un aimant permanent ayant une induction rémanente prédéterminée, une culasse séparée de l'aimant permanent par un entrefer de taille prédéterminée, un enroulement conducteur de l'électricité intercalé dans l'entrefer entre l'aimant permanent et la culasse, et des

moyens permettant un mouvement relatif entre l'aimant perma-

nent et l'enroulement, l'aimant, la culasse et l'entrefer formant un circuit magnétique dans lequel l'aimant fonctionne à une induction magnétique prédéterminée et à une intensité de champ magnétique prédéterminée, tandis que le produit de

l'induction prédéterminée et de l'intensité de champ prédé-

terminée correspond à une énergie spécifique, cette induction prédéterminée et cette intensité de champ prédéterminée étant déterminées par la taille de l'entrefer et l'aimant ayant une énergie spécifique maximale prédéterminée qui correspond à une induction inférieure à l'induction rémanente, et cette machine est caractérisée en ce que la taille de l'entrefer est suffisante pour obtenir une induction et une intensité

de champ prédéterminées correspondantes qui maximisent prati-

quement l'énergie spécifique, de façon à faire fonctionner l'aimant à proximité du point d'énergie spécifique maximale

pendant le mouvement relatif.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à

titre d'exemples non limitatifs Là suite de la description

se réfère aux dessins annexés sur lesquels

Les figures 1 et 4 sont des représentations trans-

versales simplifiées, partiellement en coupe, des configura-

tions intérieures de différents types de moteurs tournants à aimants permanents construits conformément aux principes de

conception admis antérieurement.

Les figures 5 à 8 sont des représentations trans-

versales simplifiées, partiellement en coupe, des configura- tions intérieures d'exemples de moteurs respectivement compa-s rables à ceux des figures 1-4, mais construits conformément aux principes de conception de l'invention, dans un but de comparaison. La figure 9 est une représentation transversale

siraplifiée de l'intérieur d'un autre type de moteur tour-

nant construit conformément aux principes de l'invention.

La figure 10 représente une courbe de démagnétisa-

tion pour un aimant permanent caractéristique du type cobalt-

terre rare, et une courbe de première magnétisation, donnée à titre comparatif, pour une matière de culasse en ferrite à magnétisme doux, de type caractéristique O La figure 11 est un graphique montrant des courbes de démagnétisation comparatives pour différentes matières

connues pour aimants permanents.

La figure 1 est une représentation transversale simplifié e d'un moteur tournant à aimants permanents sans

collecteur, de type classique, dans lequel un rotor quadri-

polaire 10, à symétrie radiale, constitué par des aimants permanents 12, 14, 16 et 18 fixés à un arbre en fer 20, est monté de façon tournante dans des paliers (non représentés) supportant l'arbre 20, de façon à tourner à l'intérieur

d'un stator 22 bobiné de façon concentrique Comme sur tou-

tes les figures 1 à 9, le courant alternatif circulant dans

l'enroulement 24 du stator 22 est synchronisé avec la posi-

tion du rotor 10 par des moyens classiques, comme des élé-

ments à effet Hall et des circuits appropriés, qui ne sont pas représentés pour la clarté des figures, mais qui sont du type général décrit dans le brevet U S 4 130 769 Les aimants 12, 14, 16 et 18 pourraient être constitués par n'importe quelle matière pour aimants permanents disponible dans le commerce Cependant, dans un but de comparaison, on supposera, sauf mention contraire, que tous les aimants représentés sur les figures sont du type cobalt-terre rare, par exemple cobalt-samarium, ayant la courbe de démagnétisa-

tion de la figure 10 On fabrique le stator 22 par pojnçonna-

ge de tôles dentées à partir de tôles d'acier pour machines électriques, ou d'autres alliages à base de fer, et en les empilant au moyen de l'une quelconque de diverses techniques

bien connues, pour former une culasse de stator 26 On intro-

duit ensuite l'enroulement 24 dans les encoches 26 a, entre les dents 26 b de la culasse, après quoi il est courant d'enrober l'ensemble de la structure avec de l'époxyde, ou de

l'imprégner sous vide avec un vernis.

La ligne en pointillés 28 indique le chemin du flux dans l'un des quatre circuits magnétiques de base à

symétrie radiale du moteur de la figure 1 Le circuit magné-

tique comprend la partie du rotor 10 qui se trouve entre le pâle sud de l'aimant 14 et le pâle nord de l'aimant 12, la

culasse 26 et les deux entrefers 30 et 32 situés respective-

ment entre les aimants 12 et 14 et les dents de la culasse.

La réluctance totale de ce circuit magnétique est la somme des réluctances individuelles des aimants 12 et 14, de l'arbre , des entrefers 30 et 32 et de la culasse 28 Cependant, dans les conditions normales, les seuls éléments ayant une

réluctance notable sont les entrefers 30 et 32 qui ne con-

tiennent pas de matière magnétique et, comme on le voit sur la figure 1, ces entrefers sont très étroits afin de minimiser la réluctance totale du circuit magnétique Ceci a pour effet de maximiser le flux et l'induction du circuit magnétique Du fait de la faible réluctance et donc de l'induction élevée du circuit magnétique, le point de fonctionnement des aimants correspond approximativement au point désigné par Xl sur la figure 10 On notera que ce point de fonctionnement est très proche de l'induction rémanente Br de l'aimant permanent et

qu'il correspond à une énergie spécifique relativement fai-

ble, représentée par l'aire du rectangle 34, déterminée en multipliant l'induction magnétique et l'intensité de champ magnétique au point Xl Ceci conduit à un aimant ayant une densité d'énergie relativement faible - La figure 5 montre une machine comparable à celle

de la figure 1, à l'exception du fait qu'elle est conçue con-

formément aux principes de l'invention La structure du rotor de la figure 5 est la même que celle du rotor 10 de la

figure 1 et correspond à la même courbe de démagnétisation.

Cependant, le stator 122 de la figure 5 est très différent du stator 22 de la figure 1 Du fait de l'absence de dents dans

la culasse de stator 126, les longueurs effectives L de cha-

g cun des entrefers 130 et 132 sont notablement plus grandes que les longueurs effectives des entrefers 30 et 32 de la figure 1 Cette augmentation de la longueur d'entrefer totale du circuit magnétique 128 de la figure 5, par rapport à celui de la figure 1, donne a la réluctance du circuit magnétique de la figure 5 une valeur notablement supérieure à ceile du circuit de la figure 1 Ceci signifie que l'induction dans le circuit magnétique de la figure 5 sera notablement inférieure

à celle de la figure 1, établissant ainsi un point de fonc-

tionnement sur la courbe de démagnétisation de la figure 10 situé dans une partie intermédiaire de la courbe, près du point X 2 d'énergie spécifique maximale théorique, représentée par l'aire du rectangle 36, qui est notablement supérieure à celle du rectangle 34, ce qui procure une densité d'énergie

supérieure de façon correspondante.

Du fait des petits entrefers 30 et 32 dans le mode de-réalisation de l'art antérieur de la figure 1, le rapport

de la longueur d'entrefer totale à la longueur d'aimant tota-

le dans le circuit magnétique représenté par la ligne en poin-

tillés 28 n'estqued'environ 1:4: Au contraire, le rapport de la

longueur d'entrefer totale ( 2 Lg) à la longueur d'aimant tota-

le ( 2 Lm) du circuit magnétique représenté par la ligne en pointillés 128 sur la figure 5 est de l'ordre de 1:1 Ceci est établi en considérant la formule mathématique générale

indiquée précédemment, pour définir le rapport entre la lon-

gueur d'entrefer totale et la longueur d'aimant totale dans le circuit D'après la formule, le rapport est proportionnel au rapport entre une intensité de champ magnétique intrinsè-

que imaginaire de la matière d'aimant permanent particulière, déterminée par la prolongation jusqu'àlaxe d'intensité de champ de la partie de la courbe de démagnétisation de l'aimant qui

se trouve au-dessus du "coude" (c'est-à-dire Hcp sur la figu-

cp re 10), et l'induction rémanente de la matière de l'aimant

(Br sur la figure 10) (On utilise dans la formule une inten-

sité de champ magnétique intrinsèque imaginaire Hcp, au lieu de l'intensité de champ intrinsèque réelle Hc, du fait qu'en combinaison avec Br, elle représente de façon plus précise la pente de la partie de la courbe de démagnétisation située au-dessus du "coude", sur laquelle on peut utilement établir un point de fonctionnement sans le risque de démagnétisation, conformément à l'invention) Du fait que, d'après la courbe de démagnétisation particulière de la figure 10, H 6 cp 8 x 1 A/m, tandis que B = 0,8 T, le rapport de la longueur 41 r d'entrefer totale à la longueur d'aimant totale est 1:1 d'après la formule, ce qui signifie que, pour le circuit magnétique 128 de la figure 5, 2 L doit être égal à 2 Lm et donc, LE doit être égal à Lm Sur la figure 5, la suppression des dents de la culasse de stator 126 et l'allongement résultant de l'entrefer par rapport à la longueur d'aimant ont fait de la place pour un enroulement agrandi 124 qui emplit pratiquement l'entrefer,

pour procurer le meilleur avantage Comme mentionné précédem-

ment, du fait que l'enroulement agrandi est placé dans l'entre-

fer agrandi dans lequel est appliquée la majeure partie de-

l'énergie des aimants permanents, il maximise la puissance de sortie tandis que ses effets de flux démagnétisants sont

réduits, et il minimise le rapport entre la génération de cha-.

2541833:

leur par effet Joule dans l'enroulement et la puissance de sortie Ceci maximise le rendement de conversion de puissant ce, minimise les fluctuations de température et donc les effets de démagnétisation sous l'effet de la température, améliore la linéarité des caractéristiques vitesse-couple du

dispositif et évite un échauffement excessif d'autres compo-

sants voisins sensibles à la température.

Si le moteur de la figure 5 est prévu pour fonc-

tionner à vitesse et fréquence relativement élevées, le sta-

tor 126 peut avantageusement être constitué par un ferrite à magnétisme doux, un métal amorphe ou une autre matière pour

culasse ayant des pertes faibles en haute fréquence En par-

ticulier, il est possible d'utiliser n'importe quel ferrite à magnétisme doux ayant une structure cristalline de type spinelle, conforme dans la plupart des cas à la formule X Fe 204, dans laquelle X peut être un ion manganèse, zinc, cobalt, nickel ou un autre ion métallique, ou un mélange quelconque de ceux-ci En fonctionnement à haute fréquence, les pertes dans la culasse pour une telle matière seraient de façon caractéristique inférieures de trois à quatre ordres do grandeur à celles du meilleur fer pour machines électriques, comme celui avec lequel est construite la culasse de stator 26

de la figure 1 Comme on peut le voir sur la figure 10, l'in-

duction de saturation BS du ferrite à magnétisme doux est incompatible avec la structure d'entrefer étroite de la figure 1, du fait que l'induction du point de fonctionnement Xl de l'aimant est supérieure à l'induction de saturation de la matière de culasse consistant en ferrite, et ce point ne peut donc pas être maintenu, sauf si on utilise une matière de culasse; telle que le fer, ayant une induction de saturation

au moins aussi élevée Au contraire, le point de fonctionne-

ment X 2, établi conformément aux principes de l'invention par

l'utilisation d'un rapport beaucoup plus grand entre la lon-

gueur d'entrefer et la longueur d'aimant, rend la matière de culasse de type ferrite compatible avec l'aimant permanent, du fait que le point de fonctionnement X 2 se trouve à une induction réduite, inférieure à l'induction de saturation de

la matière de culasse, et l'obtention du point de fonctionne-

ment X 2 n'est donc pas empêchée par la matière de culasse de type ferrite, comme ce serait le cas avec le point de fonc- tionnement Xl L'utilisation d'une telle matière de culasse permet d'obtenir des vitesses de rotation et une fréquence de fonctionnement très élevées, sans pertes excessives sous forme de chaleur dans la culasse, ce qui maximise encore davantage la puissance de sortie, le rendement de conversion

de puissance et la linéarité des caractéristiques vitesse-

couple, tout en minimisant les effets de démagnétisation qui sont fonction de la température et les effets défavorables de températures élevées sur d'autres composants voisins sensibles

à la température.

La figure 11 montre un certain nombre de courbes de démagnétisation de matières pour aimants permanents de type caractéristique disponibles sur le marché qui, à l'exception de l'Alnico, conviendraient à l'utilisation dans le cadre de l'invention Pour chaque courbe est représentée en pointillés une ligne qui prolonge jusqu'à l'axe d'intensité de champ magnétique la partie de la courbe située au-dessus du coude, pour montrer la valeur de Hcp qu'on obtiendrait dans chaque cas pour l'application de la formule pour déterminer le rapport de la longueur d'entrefer totale à la longueur d'aimant totale, conformément à l'invention Ce rapport est habituellement voisin de l'unité et il doit être dans la plage de 0,5 à 2, 0, et de préférence dans la plage de 0,8 à

1,2, en fonction de la matière d'aimant permanent particuliè-

* re. La figure 11 montre également pourquoi un aimant en

Alnico ne convient pas à l'utilisation dans le cadre de l'in-

vention, à cause du rapport extrêmement élevé (environ 20:1) entre les valeurs de son induction rémanente B et de son r intensité de champ intrinsèque H c, ce qui établit une courbe de démagnétisation ayant une très forte pente, au point de ne

tolérer qu'une très faible variation d'induction sans déma-

gnétisation, si le point de fonctionnement initial n'est pas proche du point d'induction rémanente En général, les matières pour aimants permanents qui conviennent à l'utilisa-

tion dans le cadre de l'invention ont des rapports très infé-

rieurs entre les valeurs de leurs inductions rémanentes B r et de leurs intensités de champ intrinsèques Hc' ces rapports

ne dépassant pas environ 2:1.

La figure 2 montre le moteur à aimants permanents qui est représenté dans le brevet U S 4 130 769 Ce moteur comporte un rotor quadripolaire 38 dans lequel les aimants ne sont pas segmentés mais au contraire magnétisés en un aimant isotrope Le moteur comporte une culasse de stator lisse 40 séparée du rotor 38 par un entrefer 42 de longueur Lg, avec un enroulement 44 intercalé dans l'entrefer 42 L'un des quatre circuits magnétiques à symétrie radiale du moteur de la figure 2 est indiqué par la ligne en pointillés 46 et il comprend un aimant de longueur Lm 9 deux entrefers de longueur

Lg et une partie de la culasse 40 Comme on l'a souligné pré-

cédemment, ce moteur utilise une structure de culasse lisse pour permettre une installation et un enlèvement économiques

de l'enroulement, mais sa structure vise à minimiser l'entre-

fer, compte tenu de la plus petite taille d'enroulement

satisfaisant les exigences de couple du moteur Par consé-

quent, le rapport entre la longueur d'entrefer totale 2 Lg du circuit magnétique 46 et la longueur d'aimant Lm n'est que

d'environ 1:3 Le point de fonctionnement de l'aimant perma-

nent n'est donc pas beaucoup plus loin du point d'induction

rémanente que le point de fonctionnement du moteur de la figu-

re 1. La figure 6 montre au contraire un moteur comparable

au moteur de la figure 2, mais conçu conformément aux princi-

pes de l'invention Le moteur de la figure 6 a les mêmes dimensions extérieures que celui de la figure 2, mais il a une

2541833-

densité d'énergie notablement supérieure, du fait de l'éta-

blissement d'un point de fonctionnement X 2 (figure 10) qui se

trouve à proximité du point correspondant à l'énergie spéci-

fique maximale théorique de son rotor à aimants permanents 138 Le point de fonctionnement correspondant à l'énergie spécifique maximale théorique est établi en augmentant le

rapport entre la longueur d'entrefer totale 2 L et la lon-

g gueur d'aimant Lm du circuit magnétique 146, de façon qu'elles soient approximativement égales Ceci nécessite un agrandissement de l'entrefer 142 entre le rotor 138 et la culasse 140, une réduction correspondante du diamètre du

rotor à aimants permanents 138, et le remplissage de l'entre-

fer agrandi 142 avec un enroulement agrandi 144, conformément

aux principes de l'invention.

La figure 3 montre le moteur représenté dans le

brevet U S 4 135 107, qui comporte un rotor à aimant perma-

nent bipolaire 48, dont le centre est traversé par un arbre en acier 49, et qui est séparé par un entrefer 50 d'une

culasse de stator 52 autour de laquelle est bobiné un enrou-

lement 54 relativement plat L'un des deux circuits magnéti-

ques diamétralement opposés du moteur est représenté par la ligne en pointillés 56 et il comprend une longueur d'entrefer totale de 2 Lg et une longueur d'aimant totale de 2 Lm Comme pour le moteur de la figure 1, le rapport entre la longueur d'entrefer totale du circuit magnétique et la longueur d'aimant totale n'est que d'environ 1:4 Comme pour le moteur de la figure 2, on a utilisé un entrefer lisse dans le moteur de la figure 3 dans des buts autres que celui consistant à maximiser l'énergie spécifique du rotor à aimant permanent

48, dans la mesure o on a utilisé la culasse lisse pour éli-

miner des harmoniques afin d'obtenir un champ sinusoïdal On s'est cependant efforcé de minimiser l'entrefer, en utilisant

dans la structure un rotor aussi grand que possible.

La figure 7 montre un moteur comparable à celui de

la figure 3 et conçu conformément aux principes de l'inven-

tion Comme dans le moteur de la figure 6, le diamètre du rotor à aimant permanent 148 est considérablement réduit pour établir un entrefer 150 beaucoup plus grand entre le rotor 148 et la culasse de stator 152 Les enroulements externes du moteur de la figure 3 ne sont pas représentés sur la figure 7, du fait qu'ils sont à l'extérieur du circuit magnétique et

ne contribuent donc pas à la puissance de sortie Conformé-

ment aux principes de l'invention, les'deux longueurs d'entre-

fer L de la figure 7 sont approximativement égales aux deux g

longueurs d'aimant Lm, et l'entrefer agrandi 150 est pratique-

ment empli par un enroulement agrandi 154.

La figure 4 représente sous forme simplifiée les principaux éléments d'un moteur à aimant permanent, mentionné précédemment, qui est fabriqué par la société Siemens de i 5 R F A Ce moteur comporte une culasse de stator lisse 58 qui entoure un rotor à aimant permanent bipolaire 60, tubulaire

et cylindrique, en Alnico, avec un noyau en zinc non magné-

tique 62 à l'intérieur de l'aimant permanent tubulaire, et un arbre en acier 63 en son centre Un enroulement 64 est fixé &

la culasse de stator 58 à-l'intérieur de l'entrefer 66 qui.

sépare le rotor 60 de la culasse de stator 58 Dans l'un des deux circuits magnétiques diamétralement opposés du moteur, qui est indiqué par la ligne en pointillés 68, il n'y a pas seulement deux entrefers L entre le rotor 60 et la culasse g de stator 58, mais également, du fait que le zinc 62 est non

magnétique, deux très grands entrefers effectifs Lgz à l'in-

gz térieur de l'aimant permanent tubulaire 60 lui-même, ce qui

augmente fortement la réluctance du circuits La longueur tota-

le des aimants dans le circuit magnétique correspond aux deux distances Lm, représentées sur la figure 4 Il existe ici entre la longueur d'entrefer totale 2 L + 2 Lgz et la longueur d'aimant totale 2 L du circuit magnétique 68 un rapport qui m est pratiquement inverse de celui des moteurs des figures 1, 2 et 3, dans la mesure o, sur la figure 4, la longueur d'entrefer totale est approximativement égale au triple de la

longueur d'aimant totale Ceci établit un point de fonction-

nement à une induction située très au-dessous de celle du

point de fonctionnement d'énergie spécifique maximale théori-

que, et ceci conduit en fait à une démagnétisation importante de l'aimant en Alnico, 60, comme indiqué précédemment. Si un moteur comparable à celui de la figure 4 devait être conçu avec un circuit magnétique plus conforme aux principes de l'invention, il ressemblerait notablement à celui représenté sur la figure 8, dans lequel le rotor à aimant permanent tubulaire 160 est notablement plus épais que celui de la figure 4, ce qui donne une plus grande longueur d'aimant totale 2 Lm Le noyau en zinc 62 serait notablement

plus petit, donnant ainsi des longueurs d'entrefer Lgz nota-

blement plus petites, avec pour l'entrefer 166 entre le rotor 160 et la culasse de stator 158 une longueur pratiquement égale à la longueur Lg sur la figure 4, ce qui fait que 2 L + 2 Lg serait approximativement égal à 2 Lm dans le circuit g g Z magnétique 168 De plus, un aimant permanent approprié en ferrite ou en cobalt-terre rare remplacerait l'aimant en

Alnico Il serait cependant encore plus préférable de conce-

voir le moteur conforme à l'invention sans aucun noyau en zinc tel que celui portant la référence 162 Ce moteur serait au contraire conçu de façon à ressembler davantage au

moteur de la figure 7, avec la totalité de l'entrefer du-

circuit magnétique pratiquement empli par un enroulement, de façon à ne gaspiller aucune partie de l'entrefer, comme

c'est le cas avec le noyau en zinc.

La figure 9 montre encore un autre type de moteur conçu conformément à l'invention Dans ce cas, un rotor à aimants permanents 170, comprenant un carter extérieur en

acier magnétique 172 sur lequel sont montés deux aimants per-

manents courbes 174, tourne autour d'un stator intérieur 176

qui comporte une culasse annulaire 178 entourée par un enrou-

lement 180 L'un des deux circuits magnétiques diamétralement

-35 opposés du moteur est indiqué par la ligne en pointillés 182.

Le circuit magnétique est dérivé par rapport à la partie cen-

trale 183 de la culasse annulaire 178 et de l'enroulement 180, et il est donc inutile que cette partie centrale contienne une matière magnétique Les deux longueurs d'aimant du circuit sont désignées par Lm et les deux longueurs d'entrefer sont

désignées par L Conformément à la formule générale de con-

ception de l'invention, 2 Lm est approximativement égal à 2 Lg pour établir le point de fonctionnement désiré au point correspondant à l'énergie spécifique maximale théorique, ou

au voisinage de ce point.

Dans toutes les machines précédentes, l'enroulement

est monté de façon fixe sur la culasse de stator, et est iso-

lé de cette dernière, et il peut avantageusement être enrobé

dans une matière appropriée telle que de l'époxyde, pour main-

tenir sa forme et maintenir le dégagement mécanique nécessaire entre l'enroulement et le rotor On notera que dans toutes ces machines, on peut inverser les rôles du rotor et du stator et que-l'élément tournant peut être constitué par lé rotor ou par le stator De façon similaire, les aimants permanents peuvent être placés sur l'élément interne ou sur l'élément externe, et il en est de même en ce qui concerne l'enroulement et la

culasse Des variantes caractéristiques de ces machines élec-

triques comprennent des moteurs à courant continu à aimants

permanents, des tachymètres, des alternateurs, des génératri-

ces et des moteurs pas à pas -

Les termes et les expressions qui ont été employés

dans la description précédente sont utilisés dans un but de

description et non de limitation, et leur utilisation-ne vise

pas à exclure des équivalents des caractéristiques décrites et représentées De nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés,

sans sortir du cadre de l'invention.

254 1833

Claims (21)

REVENDICATIONS

1 Procédé de fabrication d'une machine électrique comprenant les opérations qui consistent à monter un aimant permanent ( 110, 138, 148, 160, 174) et une culasse ( 126, 140, 152, 158, 178) selon une relation mutuelle prédéterminée, à intercaler un enroulement conducteur de l'électricité ( 124, 144, 154, 164, 180) dans un entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) situé entre l'aimant et la culasse, et à permettre un mouvement relatif entre l'aimant et la culasse, l'aimant et la culasse étant mutuellement séparés par un entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) de taille prédéterminée, l'aimant, la culasse et l'entrefer formant un circuit magnétique ( 128, 146, 156, 168, 182) dans lequel l'aimant fonctionne à une induction magnétique prédéterminée et à une intensité de champ magnétique prédéterminée, tandis que le produit de

l'induction prédéterminée et de l'intensité'de champ prédé-

terminée correspond à une énergie spécifique, l'induction prédéterminée et l'intensité de champ prédéterminée étant déterminées par la taille de l'entrefer, et l'aimant ayant

une induction rémanente prédéterminée et une énergie spécifi-

que maximale prédéterminée qui apparaît pour une induction inférieure à l'induction rémanente, caractérisé en ce qu'on sélectionne la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166)

pour obtenir une induction et une intensité de champ prédé-

terminées correspondantes qui maximisent pratiquement-l'éner-

gie spécifique, de façon à faire fonctionner l'aimant au voi-

sinage de l'énergie spécifique maximale pendant le mouvement relatif. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'aimant ( 110, 138,'148, 160, 174), la culasse ( 126, 140, 152, 158, 178) et l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) forment un circuit magnétique ( 128, 146, 156, 168, 182) dans lequel une induction magnétique prédéterminée et une intensité de champ magnétique prédéterminée sont induites dans l'entrefer,

l'induction prédéterminée et l'intensité de champ prédéter-

minée dans l'entrefer étant déterminées par la taille de cet

entrefer et correspondant à une densité d'énergie dans l'en-

trefer, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la sélec-

tion de la taille de l'entrefer de façon que la valeur de l'induction prédéterminée dans l'entrefer soit notablement

inférieure à l'induction rémanente, et de façon que la densi-

té d'énergie dans l'entrefer soit pratiquement maximisée pen-

dant le mouvement relatif.

3 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique ( 128, 146, 156, 168, 182) comporte un ou plusieurs entrefers qui sont intercalés fonctionnellement dans le circuit et un ou plusieurs aimants permanents mutuellement associés qui sont intercalés fonctionnellement dans le circuit, ce circuit

magnétique ayant une longueur d'entrefer totale qui est cons-

tituée par la longueur totale du ou des entrefers, et une longueur d'aimant totale qui est constituée par la longueur

totale du ou des aimants -

4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre l 'opération consistant à sélec-

tionner la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) de façon que le rapport de la longueur d'entrefer totale à la

longueur d'aimant totale soit dans la plage de 0,5 à 2.

5 Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à sélec-

tionner la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) de façon que le rapport de la longueur d'entrefer totale à la longueur d'aimant totale soit compris dans la plage de 0,8 à 1,2. 6 Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant-à sélec-

tionner la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) de façon que le rapport de la Iongueur d'entrefer totale à la

longueur d'aimant totale soit pratiquement égal à l'unité.

7 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, dans lequel le circuit magnétique comporte un ou plusieurs entrefers ( 130, 132, 142, 150, 166) intercalés fonctionnellement dans le circuit et un ou plusieurs aimants permanents mutuellement associés et intercalés fonctionnelle- ment dans le circuit, ce circuit magnétique ayant une longueur d'entrefer totale constituée par la longueur totale du ou des entrefers et une longueur d'aimant totale constituée par la longueur totale du ou des aimants, l'aimant ayant une courbe

de démagnétisation qui est définie par une induction magnéti-

que rémanente, par une intensité de champ magnétique intrinsè-

que et par un coude qui se trouve entre l'induction rémanente et l'intensité de champ intrinsèque, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à sélectionner la

taille de l'entrefer et de l'aimant conformément à la formu-

le: *L mt r dans laquelle: Lgt = Longueur d'entrefer totale; gt Lmt = Longueur d'aimant totale Po = Perméabilité de l'espace libre; B = Induction rémanente; et r H = Intensité de champ magnétique intrinsèque imaginaire; cp et en ce qu'on détermine Hcp en prolongeant la partie de la courbe de démagnétisation qui se trouve entre le coude et B r jusqu'à ce qu'elle rencontre l'axe d'intensité magnétique de

la courbe de démagnétisation.

8 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opé-

ration consistant à emplir de façon pratiquement complète avec l'enroulement ( 124, 144, 154, 164, 180) chaque entrefer, dont la longueur est comprise dans la longueur d'entrefer totale.

9 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 8, dans lequel la culasse ( 126, 140, 152, 158, 178) est constituée par une matière à magnétisme doux ayant

une induction magnétique de saturation prédéterminée infé-

rieure à l'induction magnétique rémanente de l'aimant perma-

nent, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à sélectionner la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) de façon à limiter l'induction magnétique de l'aimant permanent à une induction inférieure à l'induction

magnétique de saturation de la matière à magnétisme doux.

10 Procédé selon la revendication 9; caractérisé en ce que la matière à magnétisme doux est un ferrite à

magnétisme doux.

11 Procédé selon la revendication 9, caractérisé

en ce que la matière à magnétisme doux est un métal amorphe.

12 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre

l'opération consistant à empêcher pratiquement une démagné-

tisation irréversible de l'aimant permanent ( 110, i 38, 148,

, 174) pendant le mouvement relatif.

13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'aimant permanent ( 110, 138, 148, 160, 174) a un rapport ne dépassant pas environ 2:1 entre la valeur de son induction magnétique rémanente et la valeur de son intensité

de champ magnétique intrinsèque.

14 Machine électrique comprenant un aimant perma-

nent ( 110, 138, 148, 160, 174) ayant une induction rémanente prédéterminée, une culasse ( 126, 140, 152, 158, 178) séparée de l'aimant permanent par un entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) de taille prédéterminée, un enroulement conducteur de l'électricité ( 124, 144, 154, 164, 180) intercalé dans l'entrefer entre l'aimant permanent et la culasse, et des moyens qui permettent un mouvement relatif entre l'aimant

permanent et l'enroulement, l'aimant, 'la culasse et l'entre-

fer formant un circuit magnétique ( 128, 148, 156, 168, 182) dans lequel l'aimant fonctionne à une induction magnétique

prédéterminée et à une intensité de champ magnétique prédé-

terminée, le produit de l'induction prédéterminée et de l'in-

tensité de champ prédéterminée correspondant à une énergie spécifique, l'induction prédéterminée et l'intensité de champ prédéterminée étant déterminées par la taille de l'entrefer,

et l'aimant ayant une énergie spécifique maximale prédétermi-

née qui apparaît pour une induction inférieure à l'induction rémanente, caractérisée en ce que la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) est suffisante pour obtenir une

induction et une intensité de champ prédéterminées correspon-

dantes qui maximisent pratiquement l'énergie spécifique, de fagon que l'aimant fonctionne au voisinage de son énergie

spécifique maximale pendant le mouvement relatif.

Machine électrique selon la revendication 14, -

caractérisée en ce que l'aimant, la culasse et l'entrefer forment un circuit magnétique ( 128, 146 156, 168, 182) dans

lequel une induction magnétique prédéterminée et, une intensi-

té de champ magnétique prédéterminée sont induites dans l'en-

trefer, l'induction prédéterminée et l'intensité de champ prédéterminée dans l'entrefer sont déterminées par la taille de l'entrefer et correspondent à une densité d'énergie dans l'entrefer, et la taille de l'entrefer est suffisante pour que la valeur de l'induction prédéterminée dans l'entrefer soit notablement inférieure à l'induction rémanente, de fagon que la densité d'énergie dans l'entrefer soit pratiquement maximisée pendant le mouvement relatif, 16 Machine électrique selon l'une quelconque des

revendications 14 ou 15, caractérisée en ce que le circuit

magnétique comporte un ou plusieurs entrefers ( 130, 132, 142, 150, 166) intercalés fonctionnellement dans le circuit et un

ou plusieurs aimants permanents ( 110, 138, 148, 160, 174)-

mutuellement associés et intercalés fonctionnellemént dans le circuit, et le circuit magnétique ( 128, 146, 156, 168, 182) a

une longueur d'entrefer totale qui est constituée par la lon-

gueur totale du ou des entrefers et une longueur d'aimant -

totale qui est constituée par la longueur totale du ou des aimants. 17 Machine électrique selon la revendication 16, caractérisée en ce que le rapport de la longueur d'entrefer totale à la longueur d'aimant totale est dans la plage de

0,5 à 2.

18 Machine électrique selon la revendication 16, caractérisée en ce que le rapport de la longueur d'entrefer totale à la longueur d'aimant totale est dans la plage de

0,8 à 1,2.

19 Machine électrique selon la revendication 16, caractérisée en ce que le rapport de la longueur d'entrefer totale à la longueur d'aimant totale est pratiquement égal

à l'unité.

20 Machine électrique selon l'une quelconque des

revendications 14 ou 15, dans laquelle le circuit magnétique

( 128, 146, 158, 168, 182) comporte un ou plusieurs entrefers ( 130, 132, 142, 150, 166) intercalés fonctionnellement dans le circuit -et un ou plusieurs aimants permanents ( 110, 138,

148, 160, 174) mutuellement associés et intercalés fonction-

nellement dans le circuit, le circuit magnétique à une lon-

gueur d'entrefer totale qui est constituée par la longueur totale du ou des entrefers et une longueur d'aimant totale qui est constituée par la longueur totale du ou des aimants, et l'aimant a une courbe de démagnétisation qui est définie par une induction magnétique rémanente, par une intensité de champ magnétique intrinsèque et par un coude qui se trouve

entre l'induction rémanente et l'intensité de champ intrinsè-

que, caractérisée en ce que la taille de l'entrefer et l'ai-

mant sont choisis conformément à la formule: Lgt Poi Hcp I Lmt r dans laquelle: Lgt = Longueur d'entrefer totale; Lmt = Longurtir d'aimant totale; po = Perméabilité de l'espace libre; B = Induction rémanente; et r Hop = Intensité de champ magnétique intrinsèque imaginaire; et en ce qu'on détermine Hcp en prolongeant la partie de la cp courbe de démagnétisation qui se trouve entre le coude et B r jusqu'à ce qu'elle rencontre l'axe d'intensité magnétique de

la courbe de démagnétisation.

21 Machine électrique selon l'une quelconque des

revendications 16 à 20, caractérisée en ce que l'enroulement

( 124, 144, 154, 164, 180) emplit pratiquement complètement chaque entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166), dont la longueur

est comprise dans la longueur d'entrefer totale.

22 Machine électrique selon l'une quelconque des

revendications 14 à 21, caractérisée en ce que la culasse -

( 126, 140, 152, 158, 178) est constituée par une matière à magnétisme doux ayant une induction magnétique de saturation prédéterminée qui est inférieure à l'induction magnétique rémanente de l'aimant permanent ( 110, 138, 148, 160, 174), et la taille de l'entrefer ( 130, 132, 142, 150, 166) est suffisante pour limiter l'induction magnétique de l'aimant permanent à une induction inférieure à l'induction magnétique

de saturation de la matière à magnétisme doux.

23 Machine électrique selon la revendication 22, caractérisée en ce que la matière à magnétisme doux est un

ferrite à magnétisme doux.

24 Machine électrique selon la revendication 22, caractérisée en ce que la matière à magnétisme doux est un

métal amorphe.

25 Machine électrique selon l'une quelconque des

revendications 14 à 24, caractérisée en ce qu'elle comprend

en outre des moyens destinés à empêcher pratiquement une démagnétisation irréversible de l'aimant permanent ( 110, 138,

148, 160, 174) pendant le mouvement relatif.

26 Machine électrique selon la revendication 25, caractérisée en ce que l'aimant permanent ( 110, 138, 148, , 174) a un rapport ne dépassant pas environ 2:1 entre la valeur de son induction magnétique rémanente et la valeur de

son intensité de champ magnétique intrinsèque.