FR2890498A1 - Moteur electrique hybride a une dent par pole stator, methode de compensation des harmoniques et des efforts radiaux - Google Patents
Moteur electrique hybride a une dent par pole stator, methode de compensation des harmoniques et des efforts radiaux Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un moteur électrique polyphasé comportant une pluralité de paires de pôles au stator (11) tel que chaque pôle du stator ne forme qu'une dent unique, et comportant un rotor composé d'au moins un aimant permanent aimanté sensiblement axialement inséré entre au moins deux demi-rotors (13) comportant un nombre de dents (14) Nr caractérisé en ce que si P est le nombre de paires de pôles par phase au stator, le nombre de dents d'un demi-rotor soit égal à Nr = (2n+1)P où n est un entier.
Description
2890498 1
MOTEUR ÉLECTRIQUE HYBRIDE À UNE DENT PAR PâLE STATOR, MÉTHODE DE COMPENSATION DES HARMONIQUES
ET DES EFFORTS RADIAUX
La présente invention concerne les moteurs électriques dits de type hybride, et plus particulièrement les moteurs électriques de type hybride ne possédant qu'une seule dent par pôle stator et donc ayant, contrairement aux moteurs électriques hybrides connus dans l'état de l'art, un pas angulaire entre dents stator différent de celui entre dents rotor.
On connaît, dans l'état de la technique, des moteurs électriques pas à pas de type hybride, tels qu'ils furent décrits par K.M Feiertag, brevet US 2 589 999.
On retrouve classiquement dans le cas d'un moteur diphasé (figure 1) : É un stator (1) composé d'un nombre pair de pôles (2) (généralement 4 ou 8) possédant chacun plusieurs dents (5), É deux demi-rotors (4) possédant une pluralité de dents (3) disposées de sorte que le pas angulaire est égal à celui des dents des pôles stator. Les demi-rotors sont angulairement décalés de façon que le centre d'une dent d'un des demi- rotors corresponde aux creux entre les dents de l'autre demi-rotor (décalage de 180 /nombre de dents rotor), É un aimant disque (6) intercalé entre les deux demi-rotors et généralement aimanté axialement, É des bobinages électriques (7) à raison d'une bobine par pôle stator et appartenant alternativement à l'une ou l'autre des phases.
La structure la plus répandue est une structure à 4 pôles stator portant 5 à 6 dents et 50 dents par demi-rotor.
Les moteurs hybrides, tels que décrits précédemment sont actuellement quasi exclusivement utilisés dans des applications de positionnement nécessitant un grand nombre de pas par tour et un fort couple à basse vitesse au détriment du couple à haute vitesse (>3000 tr/min).
Le but de la présente invention est de proposer des moteurs possédant un couple plus faible à basse vitesse mais ayant d'excellentes performances (couple et puissance mécanique) à plus haute vitesse (>3000 tr/min). Cette solution permet d'atteindre des niveaux de puissance mécanique supérieurs à ceux des solutions classiques à plusieurs dents par pôle.
La figure 2 présente une comparaison des performances entre deux moteurs diphasé de taille 57 mm, possédant 5 dents/demi-rotor et 4 dents stator (suivant la présente invention) et 50 dents/demi-rotor et 4 pôles au stator avec 6 dents chacun (selon le mode de réalisation faisant référence au brevet US 2 589 999). Ils sont alimentés par une même alimentation de type pas à pas en mode pas entier (1.5A, 60V).
La présente invention concerne donc des moteurs polyphasés composés d'une pluralité de pôles au stator, chaque pôle ne formant qu'une dent unique. Quelques exemples diphasés de ce type de structure sont dessinés figure 3 (figure 3A à 3D). Un exemple triphasé est représenté figure 4.
On retrouve classiquement, pour des structures selon la présente invention (figure 5): É un stator (11) massif ou feuilleté, composé d'un nombre pair de pôle (12) ne formant qu'une dent unique, deux demi-rotors (13) massifs ou feuilletés possédant une pluralité de dents (14) disposées de sorte que le pas angulaire est obligatoirement différent du pas angulaire entre les dents stator. Les demi-rotors sont généralement angulairement décalés de façon à ce que le centre d'une dent d'un des demi-rotors corresponde aux creux entre les dents de l'autre demi-rotor (décalage de 180 /nombre de dents rotor), É un aimant disque (15) intercalé entre les deux demi-5 rotors et généralement aimanté axialement, des bobinages électriques (16) généralement disposés, mais ce n'est pas exclusif, à raison d'une bobine par pôle stator et appartenant alternativement à chacune des phases. Pour une même phase, les bobines seront alternativement parcourues par des courants circulant en sens inverse (figure 6).
Ce type de structure peut être généralisé de la façon suivante: si P est le nombre de paire de pôles par phase au stator, le nombre de dents d'un demi-rotor devra être égal à Nr= (2n+1) P ou n est un entier.
Généralement, si N9 est le nombre de phase, on aura P*N9 pôles stator disposés tel que les phases soient décalées de 360 /N9 et les pôles d'une même phase soient décalés entre eux de 360 /P si on n'applique pas de méthode de compensation tels que décrites par la suite (figure 4).
Une structure particulièrement avantageuse entre autres par sa simplicité de construction est une structure à 4 pôles stator et 5 dents par demirotor.
Il apparaît que l'intérêt de n'avoir qu'une seule dent par phase, ne se justifie plus quand le nombre de dents au rotor devient trop important. Dans le cas d'un moteur diphasé à 4 dents stator (P = 1), on voit aisément qu'à partir de sept dents rotor, on peut mettre deux dents par phase (figure 7). Pour une même quantité de cuivre et d'aimant, on double alors le couple statique.
2890498 4 Ceci se généralise aisément, et pour un moteur à N9 phases et P paires de pôles par phase, on montre que l'on doit avoir un nombre de dents au rotor Nr<3*N9*P.
Dans le cas d'un moteur diphasé (N9 =2) à une paire de 5 pôle par phase (P=1), Nrmax est égal à 5.
Les structures de la présente invention ont cependant deux éventuels inconvénients; un fort couple sans courant intrinsèque aux structures hybrides et des efforts radiaux importants dus à l'attraction des pôles rotors par les pôles stators. Ces efforts qui ne se compensent pas avec seulement quatre pôles au stator (figure 8), donnent lieu à un moment au centre du rotor non nul, donc un phénomène d'arc-boutement du rotor, qui peut provoquer notamment de gros efforts sur les roulements et potentiellement du bruit. À noter qu'à partir de 8 pôles au stator (pour une structure diphasée), ces efforts se compensent et leur moment au centre du rotor est nul (figure 8).
Un certain nombre de méthodes de compensations du couple sans courant peuvent être appliquées au moteur de la présente invention. Le couple sans courant est principalement composé d'harmoniques 4 et 8 (par rapport à la période du couple statique), qui se compensent aisément par des décalages de 1/8ème et 1/16ème de période du couple statique. Dans le cas d'un moteur à 5 dents au rotor, la période du couple statique est de 360/5 = 72 . Les décalages pour compenser les harmoniques du couple sans courant sont donc de 4.5 pour l'harmonique 8 et 9 pour l'harmonique 4.
En généralisant, les décalages à mettre en oeuvres sont de 360 /8*Nr et 360 /16*Nr pour compenser les harmoniques 4 et 8, soit 360 /2*Nr*N pour compenser un harmonique de rang N. Les méthodes envisageables consistent à : * Décaler les dents stator d'une phase de façon à ce que l'angle entre deux dents consécutive d'une même paire de pôles soit égale à (360 /P) décalage (figure 9).
* Décaler les deux demi-rotors d'un angle de (360 /2*Nr) décalage (figure 10).
* Créer des demi-rotors avec des gradins décalés entre eux dans un sens différent pour chaque demi-rotor (figure 11). Avec deux gradins décalés de 1/16ème ou 1/8ème de période (4.5 et 9 pour 5 dents rotor), on compense respectivement les harmoniques 8 ou 4. Avec 4 gradins a 1/16ème de période, on compense les harmoniques 4 et 8. À noter qu'en augmentant le nombre de gradins, on peut compenser plus d'harmonique (pour compenser n harmonique, il faut 2n gradins). À noter les cas particuliers de 2n gradins décalés de 360 /8*Nr*n avec Nr le nombre de pièces rotoriques, qui permet de compenser tous les harmoniques de rang inférieur ou égal à 2*2n (Exemple: avec n=4 on compense les harmoniques 4, 8, 16 et 32).
Ceci peut se généraliser à un nombre infini de gradins; en supposant que les pièces rotoriques soient massives, celles-ci seraient alors réalisées avec un pas d'hélice de 1/4 de période du couple statique pour compenser tous les harmoniques du couple sans courant (voir exemple avec 5 dents rotor figure 12).
* Créer des stators avec des gradins décalés entre eux.
Ces méthodes de compensation peuvent bien évidemment se combiner entre elles. Par exemple pour un moteur à 8 pôles stator, deux demi-rotors avec des gradins à 4.5 peuvent être combinés avec un stator avec un décalage de 2.25 (figure 13).
À noter que ces méthodes peuvent être appliquées et combinées pour compenser des harmoniques de rang autres que le 4 et le 8 ou pour créer un couple sans courant particulier.
De façon à compenser les efforts radiaux s'exerçant entre les dents du rotor et les dents du stator, dans le cas notamment d'une structure avec uniquement 4 dents au stator, l'utilisation d'un rotor à double étage est avantageusement possible (figure 14). Il s'agit en fait de deux rotors juxtaposés de façon que les directions d'aimantation des deux aimants s'opposent (figure 14). La structure du rotor est alors telle que: É un premier aimant (21) est inséré entre deux pièces dentées rotoriques massives ou feuilletées (23) et (24), lesquelles sont (en l'absence de compensation du couple sans courant), décalées de façon que le centre d'une dent d'un des demi-rotors corresponde aux creux entre les dents de l'autre demi-rotor (décalage de 180 /nombre de dents rotor), un deuxième aimant (22) dont la direction d'aimantation s'oppose à (21) est, pareillement à (21), inséré entre deux pièces rotoriques (25) et (26) É les deux pièces rotoriques centrales (24) et (25) sont (en l'absence de compensation du couple sans courant) angulairement alignées et peuvent être axialement collées, séparées par un entrefer, ou ne former qu'une seule et même pièce.
Cette structure est généralisable à un plus grand nombre d'étages. De façon générale, on peut avoir un nombre quelconque d'étages composés d'un aimant inséré entre deux pièces rotoriques. Ces étages peuvent être juxtaposés avec ou sans entrefer, dans le but d'annuler ou de diminuer le moment au centre du rotor des forces d'attraction radiales entre les dents du rotor et du stator. Les directions d'aimantation de deux aimants voisins doivent s'opposer.
À noter que cette méthode de compensation des efforts radiaux peut se combiner avec une ou plusieurs méthodes de compensation d'harmoniques. Par exemple une structure avec deux étages au rotor (soit 2 aimants et 4 pièces rotoriques) et 8 gradins par pièces rotoriques pour compenser les harmoniques 4, 8 et 16 du couple sans courant peut être réalisée (figure 15).
D'autres structures à plusieurs étages sont également envisageables. Notamment, on peut juxtaposer un nombre quelconque d'étages rotoriques séparés par des entrefers magnétiques et dont les directions d'aimantation des aimants ne s'opposent pas. Les pièces rotoriques de chaque côté d'un entrefer sont alors disposées de sorte qu'en l'absence de compensation les dents d'une des pièces correspondent aux creux de l'autre. Un exemple d'une telle structure dans le cas de deux étages est présenté figure 16. Ces structures peuvent être avantageusement utilisées pour garder un niveau d'induction suffisant dans l'entrefer; celui-ci ayant tendance, surtout dans le cas d'un rotor feuilleté, à diminuer à mesure que l'on s'éloigne de l'aimant du fait du flux axial des aimants qui doit traverser les laminations du rotor.
Toutes les méthodes de compensation d'harmonique évoquées précédemment sont applicables sur de telles structures, de plus, en appliquant des décalages entre les étages, on peut également avantageusement compenser des harmoniques du couple sans courant. Pour compenser l'harmonique N, les décalages à appliquer sont de 360 /2*Nr*N avec Nr nombre de dents par pièces rotoriques, sachant que 2N étages permettent de compenser N harmoniques. Par exemple sur une structure à 5 dents par pièces rotoriques, dont la période du couple statique est de 72 , avec un rotor à 4 étages, un décalage de 4.5 entre chaque étage permet de compenser les harmoniques 4 et 8 du couple de détente.
À noter que toutes les méthodes de compensation d'harmoniques appliquées à un étage rotoriques ou entre étages et les méthodes de compensation des efforts axiaux peuvent se combiner notamment dans les structures multi étages de façon à annuler tout ou partie des harmoniques du couple de détente.
Dans les structures de la présente invention, et particulièrement quand Nr<6, on voit figure 3 qu'il est avantageux de créer des pôles sans épanouissement polaire. Ceci permet de bobiner les bobines aisément sur un support et de les insérer dans le moteur après bobinage. Ceci est difficilement concevable dans les structures classiques à moins d'accepter de diminuer le nombre de dents par pôles donc le couple.
Claims (16)
1. Moteur électrique polyphasé comportant une pluralité de paires de pôles au stator tel que chaque pôle du stator ne forme qu'une dent unique, et comportant un rotor composé d'au moins un aimant permanent (21, 22) aimanté sensiblement axialement inséré entre au moins deux demi-rotors (13) comportant un nombre de dents (14) Nr caractérisé en ce que si P est le nombre de paires de pôles par phase au stator, le nombre de dents d'un demi-rotor soit égal à Nr= (2n+1) P où n est un entier.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des bobines électriques disposées à raison d'une bobine (16) par pôle appartenant alternativement à chacune des phases.
3. Moteur selon les revendications 1 et 2,
caractérisé en ce qu'il comporte un nombre de dents rotor Nr tel que si N9 est le nombre de phase au stator et P est le nombre de paire de pôles par phase au stator, le nombre de dents d'un demi-rotor soit inférieur à 3*N9*P.
4. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un décalage entre les dents stator d'une même phase tel que l'angle entre les dents stator est alors de (360 /P 360 /2*Nr*N) avec P le nombre de pôle par phase au stator, Nr le nombre de dents au rotor et N le rang de l'harmonique du couple de détente que l'on souhaite compenser.
5. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un décalage entre les deux 35 pièces rotoriques situées de part et d'autres d'un même aimant tel que l'angle entre ces pièces rotoriques est alors de (360 /2*Nr 360 /2*Nr*N) avec P le nombre de pôle par phase au stator, Nr le nombre de dents au rotor et N le rang de l'harmonique du couple sans courant que l'on souhaite compenser.
6. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces rotoriques comportent une pluralité de gradin de façon à créer une compensation d'harmonique.
7. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces rotoriques comportent 2n gradins décalés de 360 /8*Nr*n) avec P le nombre de pôle par phase au stator, Nr le nombre de dents au rotor et 4n le rang de l'harmonique du couple de détente le plus élevé que l'on souhaite compenser, de façon à créer une compensation des harmoniques de rang inférieur ou égal à 2*2n.
8. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces rotoriques sont réalisées avec un pas d'hélice pour compenser tout ou partie des harmoniques du couple sans courant.
9. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces rotoriques sont réalisées avec un pas d'hélice de 1/4 de période du couple statique de façon à compenser tous les harmoniques du couple de détente.
10. Moteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le stator comporte une pluralité de gradin de façon à créer une compensation d'harmonique.
11. Moteur électrique polyphasé comportant une pluralité de paires de pôles stator ne formant chacun qu'une dent unique, et comportant un rotor, caractérisé en ce qu'il comporte deux aimants permanents aimantés axialement et dont les aimantations rémanentes s'opposent et en ce que chaque aimants est inséré entre deux pièces rotoriques dentées massives ou feuilletées comportant un nombre de dents Nr tel que si P est le nombre de paire de pôles par phase au stator, le nombre de dents des pièces rotoriques soit égal à Nr= (2n+1) P ou n est un entier.
12. Moteur électrique polyphasé comportant une pluralité de paires de pôles stator ne formant chacun qu'une dent unique, et comportant un rotor, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs aimants permanents aimantés axialement insérés entre des pièces rotoriques dentées massives ou feuilletées juxtaposées ou séparées par un entrefer et comportant un nombre de dents Nr tel que si P est le nombre de paire de pôles par phase au stator, le nombre de dents des pièces rotoriques soit égal à Nr=(2n+1) P ou n est un entier.
13. Moteur selon les revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte des décalages entre les différents étages composés d'un aimant et de deux pièces rotoriques permettent une compensation d'harmoniques.
14. Moteur selon les revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte des décalages entre les différents étages composés d'un aimant et de deux pièces rotoriques tels que si les aimantations s'opposent entre deux étages ils sont décalées de 360 /2*Nr 360 /2*Nr*N et si les aimantations entre deux étages consécutif sont de même sens ils sont décalées de 360 /2*Nr*N avec P le nombre de pôle par phase au stator, Nr le nombre de dents au rotor et N le rang de l'harmonique du couple sans courant que l'on souhaite compenser.
15. Moteur selon les revendications 1, 10, 11, 12,
13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs méthodes de compensation tels que décrites aux
revendications 6, 7, 8 ou 9.
16. Moteur selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pôles stator soient réalisés sans épanouissement polaire permettant notamment d'insérer les bobines après bobinage.
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