FR2919771A1 - Moteur magnetique a aimants permanents - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un moteur magnétique à aimants permanents comprenant au moins un disque stator (S1) et au moins un disque rotor (R1), le disque rotor (R1) et le disque stator (S1) travaillant sur leurs faces en vis-à-vis.Ce moteur est remarquable en ce que :- le disque stator (S1) comprend, sur sa face de travail, au moins un dipôle magnétique (Q) constitué de deux plots magnétiques (Q1, Q2) reliés par un barreau métallique (Q3) pour former un champ magnétique plan,- le disque rotor (R1) comprend, sur sa face de travail, au moins un élément magnétique disposé de manière à être soumis périodiquement à l'action du champ magnétique généré par le dipôle (Q) lors de la rotation du disque rotor (R1),et en ce que, lorsqu'il est dans la zone d'action dudit champ magnétique, le centre de l'élément magnétique parcourt une trajectoire (D) présentant, avec la perpendiculaire au champ magnétique, un angle (alpha) prédéterminé.

Description

MOTEUR MAGNETIQUE A AIMANTS PERMANENTS

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un moteur magnétique à aimants permanents.

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Dans le domaine des moteurs, la recherche de sources d'énergie non polluantes et procurant des rendements élevés a donné lieu à de nombreuses innovations. Parmi celles-ci, on compte les moteurs magnétiques, dont le fonctionnement est basé sur la fourniture d'un travail lors d'u déplacement d'un plot magnétique sous l'influence d'un champ magnétique. Toutefois, les rendements obtenus sont relativement faibles, de sorte que de tels moteurs peuvent difficilement être utilisés en remplacement de moteurs thermiques ou électriques classiques. Il existe donc un besoin d'améliorer la conception des moteurs magnétiques à aimants permanents de manière à leur conférer des rendements plus élevés.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention prévoit un moteur magnétique à aimants permanents comprenant au moins un disque stator et au moins un disque rotor, le disque rotor et le disque stator travaillant sur leurs faces en vis-à-vis. Ce moteur est remarquable en ce que : - le disque stator comprend, sur sa face de travail, au moins un dipôle magnétique constitué de deux plots magnétiques reliés par un barreau métallique pour former un champ magnétique plan, - le disque rotor comprend, sur sa face de travail, au moins un élément magnétique disposé de manière à être soumis périodiquement à l'action du champ magnétique généré par le dipôle lors de la rotation du disque rotor, et en ce que, lorsqu'il est dans la zone d'action dudit champ magnétique, le centre de l'élément magnétique parcourt une trajectoire présentant, avec la perpendiculaire au champ magnétique, un angle prédéterminé. De manière particulièrement avantageuse, chacun des plots magnétiques du dipôle du disque stator est un aimant permanent ou est formé d'une pluralité d'aimants permanents jointifs ou d'une pluralité d'aimants permanents cylindriques. L'élément magnétique du disque rotor peut être choisi parmi un plot formé d'un aimant permanent cylindrique, prismatique à base quadrilatère ou parallélépipédique, et un dipôle constitué de deux plots magnétiques sur un barreau métallique, lesdits plots étant chacun un aimant permanent ou étant formés d'une pluralité d'aimants permanents jointifs ou d'une pluralité d'aimants permanents cylindriques. Selon d'autres caractéristiques possibles de l'invention : - le sinus de l'angle entre la trajectoire et la perpendiculaire au champ magnétique, est compris entre 0,15 et 0,45 ; - le dipôle du disque stator a la forme d'une portion de couronne, d'un prisme à base quadrilatère ou d'un parallélépipède ; - on contrôle l'angle entre la trajectoire et la perpendiculaire au champ magnétique par une variation du rayon de la trajectoire du centre de l'élément magnétique du disque rotor ; - le disque stator comprend une came, intérieure ou extérieure au disque rotor, coopérant avec un galet solidaire d'un plot du rotor et apte à coulisser dans un élément de guidage en translation solidaire du disque rotor, de sorte que le centre du plot parcourt une trajectoire parallèle au profil de la came ; - le moteur comprend des moyens de coulissement axial du disque stator par rapport au disque rotor ; - le moteur comprend des moyens pour ramener les éléments magnétiques du rotor vers le centre du disque rotor ; - il comprend en outre des moyens pour intercaler, entre le disque rotor et le disque stator, un matériau isolant magnétique ; les dimensions relatives du dipôle du disque stator et de l'élément magnétique du disque rotor sont données par les formules suivantes : (i) longueur du dipôle stator = longueur du plot rotor + AX, où ÈX est la projection de la trajectoire du plot sur le champ magnétique, entre le point d'entrée et le point de sortie de cette trajectoire sur le dipôle stator ; (ii) la largeur du dipôle stator est supérieure à la largeur du plot rotor ; - le disque stator comprend un unique dipôle, la base dudit dipôle ayant la forme d'une portion de couronne ; - le disque stator comprend 5 à 6 dipôles magnétiques et le disque rotor comprend 8 à 11 plots magnétiques ; - le disque stator comprend en outre au moins un électro-aimant disposé de manière à agir périodiquement sur l'élément magnétique du rotor ; - le moteur comprend au moins deux disques stators, le disque rotor étant disposé entre les deux disques stators et comprenant des éléments magnétiques sur ses deux faces ; - le moteur comprend une pluralité de disques rotors et de disques stators disposés de manière alternée.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux figures annexées données à titre illustratif et non limitatif, sur lesquelles : - la figure 1 représente les forces s'exerçant sur un plot soumis à un champ magnétique ; - les figures 2 et 3(a) illustrent les forces s'exerçant sur un plot magnétqiue selon deux trajectoires différentes ; la figure 3(b) illustre le diagramme des forces sur la trajectoire de la figure 3(a) ; - les figures 4 et 5 illustrent deux modes de réalisation du dipôle stator ; - la figure 6 illustre différentes formes possibles du dipôle ; - la figure 7 illustre différentes formes possibles du plot du rotor ; - la figure 8 illustre une variante avantageuse du plot du rotor ; - la figure 9 illustre une configuration possible du moteur ; - la figure 10 est un détail d'un dipôle rotor et d'un plot stator de ce moteur ; - les figures 11 et 12 sont des vues de côté de ce moteur ; - la figure 13 illustre une variante préférée de réalisation du dipôle stator ; - les figures 14 à 16 illustrent une variante la du moteur ; - la figure 17 illustre une variante 1 b du moteur ; - les figures 18 à 20 correspondent à une variante 2 du moteur, où la trajectoire est à rayon variable ; - les figures 21 à 24 illustrent une variante 3 du moteur, où le rotor est muni de dipôles ; - la figure 25 représente une variante 4 du moteur, où le stator est équipé d'un électro-aimant. On précise que sur les figures, pour simplifier les schémas, les dimensions des éléments du rotor et des éléments du stator ne respectent pas nécessairement les paramètres géométriques optimaux définis dans la description.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Principe qénéral de l'invention En référence à la figure 1, on crée un champ magnétique uniforme continu, noté B. Si l'on soumet à ce champ un plot magnétique M, celui-ci subira une force FB dans la direction du champ, de sens variant selon la polarité du plot M. Si l'on déplace le plot M sur une trajectoire T rectiligne, oblique par rapport à la direction du champ B (l'inclinaison par rapport à une perpendiculaire au champ B étant définie par un angle a), la composante FT de la force FB sur la trajectoire T crée un travail proportionnel à sina . FB . En soumettant le plot M à une succession de champs dont la zone d'action est limitée à un rectangle, et disposés le long d'une courbe fermée, dans un plan, on impose pour ce plot une trajectoire rotative. On peut créer un tel champ B ayant une zone d'action limitée en longueur et en largeur au moyen d'un dipôle magnétique Q constitué de deux aimants. L'action du dipôle Q sur le plot M peut donc être assimilée à l'action de deux plots Nord et Sud sur un troisième plot M mobile.

En référence aux figures 2 et 3, on modélise le dipôle Q par un dipôle quasi-ponctuel dont le pôle Nord est noté A et le pôle Sud est noté B. On s'intéresse à la face Nord du plot mobile M. On note F(AM) la force exercée par A sur M, F(BM) la force exercée par B sur M, et RM la résultante de F(AM) +F(BM) . On note enfin A l'axe de symétrie du dipôle Q (ici médiatrice du segment [AB], et a l'angle entre la trajectoire T du plot mobile M avec A. Ici, cette médiatrice est perpendiculaire au champ magnétique.

Les forces F(AM) et F(BM) dépendent du champ magnétique généré par A et B et du champ créé par M ; leur intensité est inversement proportionnelle à la distance AM, respectivement BM.

La figure 2 illustre le cas où la trajectoire T du plot mobile M est confondue avec la médiatrice A du dipôle Q, ce qui correspond à un angle a nul. Dans ce cas, la résultante RM des forces exercées par A et B est toujours perpendiculaire à A. Le travail du plot mobile M sur sa trajectoire T est donc nul puisque la composante de RM sur la trajectoire est nulle. La figure 3(a) illustre une configuration où la trajectoire T du plot mobile M est rectiligne et inclinée d'un angle a par rapport à A. Dans ce cas, la résultante RM des forces exercées par A et B n'est plus perpendiculaire à la trajectoire T. Par conséquent, RM possède une composante FT sur la trajectoire T, qui varie en sens et en intensité selon la position du plot mobile M. Le graphe 3(b) représente la variation de FT sur la trajectoire T définie par un axe (x', x) : les aires comprises entre l'axe (x', x) et la courbe correspondent au travail du plot M. Les zones avec des hachures simples correspondent à un travail positif, noté W+ ; les zones avec des hachures doubles correspondent à un travail négatif, noté W-.

On peut donc définir un rendement K = W+ W- L'inventeur a défini les plots mobiles M, les dipôles Q et leurs positions respectives sur le rotor et le stator de manière à obtenir un moteur dont le rendement est optimal. Description du moteur conforme à l'invention Selon le mode de réalisation le plus simple, le moteur conforme à l'invention comprend :

- au moins un stator S1 se présentant sous la forme d'un disque fixe

supportant au moins un dipôle Q créant le champ magnétique orienté

- un rotor R1, se présentant sous la forme d'un disque supportant un ou plusieurs éléments magnétiques dont le nombre est ajusté en fonction du nombre de dipôles du stator, disposé en vis-à-vis du stator de sorte que le(s) élément(s) magnétique(s) soient soumis périodiquement au champ magnétique généré par le(s) dipôle(s) du stator, et apte à adopter un mouvement de rotation.

Pour équilibrer les efforts axiaux importants, il est préférable de disposer le disque rotor R1 entre deux disques stators S1 et S2 et de disposer les éléments magnétiques sur les deux faces du rotor. Ainsi, le rotor R1 travaille sur ses deux faces. Pendant la phase stabilisée de fonctionnement, la distance entre les faces du disque stator et du disque rotor est constante.

Dipôle du stator L'élément du stator créant le champ magnétique orienté et limité dans l'espace se présente sous la forme d'un dipôle magnétique Q constitué de deux plots magnétiques Q1 et Q2 reliés par un barreau métallique Q3 (par exemple en fer), comme représenté sur la figure 4. Cette définition du dipôle est valable dans toute la suite du texte. Le dipôle Q comprend donc un pôle nord (N) et un pôle sud (S). En effet, cette disposition des plots magnétiques sur le barreau est celle qui permet de contrôler le champ magnétique généré par le dipôle. En effet : -le champ inférieur (sous les plots Q1 et Q2) est prisonnier du barreau métallique Q3 et ne se diffuse pas dans l'espace ; - les champs de retour aux extrémités du dipôle sont très faibles ; - le champ principal supérieur est fortement augmenté par le barreau métallique Q3 ; - le champ magnétique obtenu est plan. Les deux plots magnétiques Q1 et Q2 sont composés d'aimants permanents et peuvent notamment être deux aimants permanents monoblocs. Selon une variante représentée à la figure 5, les aimants permanents Q1 et Q2 du dipôle Q ne sont pas contigus mais séparés par un espace libre, et sont reliés par un barreau métallique Q3. En référence à la figure 13, on peut avantageusement minimiser les champs de retour, qui génèrent une répulsion d'entrée et de sortie û et donc un travail négatif û, en remplaçant les aimants Q1 et Q2 par une pluralité d'aimants permanents jointifs ou cylindriques, dont le rapport épaisseur / diamètre (ou largeur) est avantageusement compris entre 1 et 2,5. En particulier, l'utilisation de petits aimants cylindriques permet un retour des champs sur chaque aimant, et non un retour global sur les côtés du dipôle. En référence à la figure 6, la dimension du dipôle Q est caractérisée par sa longueur (notée L) et sa largeur (notée I). Le rapport L/l peut varier dans la mesure où le montage du rotor par rapport au stator respecte les paramètres de la trajectoire décrits plus bas. Par ailleurs, comme on le verra par la suite, la forme du dipôle Q n'est pas limitée à un parallélépipède mais peut avantageusement être une portion d'une couronne voire un prisme à base quadrilatère. Dans un grand nombre de cas, l'axe de symétrie du dipôle est perpendiculaire au champ magnétique généré.

Elément maqnétique du rotor Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément magnétique du rotor est un plot M formé d'un aimant permanent. Dans la suite du texte, on considère que la face active du plot M est sa face Nord. La figure 7 illustre différentes formes possibles pour le plot M. Selon une première variante de réalisation, le plot M du rotor se présente sous la forme d'un disque (a) ou, si son épaisseur est importante, d'un cylindre. Toutefois, d'autres variantes de réalisation sont envisageables, telles que des formes rectangulaires (b) ou elliptiques (c), trapézoïdales ou tout autre quadrilatère. Le plot peut également se présenter sous la forme d'une portion de couronne (d). Cette dernière configuration sera désignée par l'adjectif curviligne dans la suite de la description. La dimension du plot M est caractérisée par son diamètre (PM s'il est de forme circulaire, ou, s'il présente une autre forme, par la longueur LM et la largeur lm du rectangle dans lequel il est inscrit. Un paramètre important à respecter est la longueur du plot M du rotor par rapport à la longueur du dipôle Q du stator. Ces longueurs sont liées par la relation suivante : longueur du dipôle stator = longueur (ou diamètre) du plot rotor + AX, où ÈX est la distance, dans la direction de la longueur du dipôle stator Q, entre le point d'entrée et le point de sortie de la trajectoire du plot M sur le dipôle stator Q (cette distance est repérée sur la figure 10 qui sera décrite plus bas). La distance AX rapportée à la largeur du dipôle Q, correspond également au sinus de l'angle a entre la trajectoire et la perpendiculaire au champ magnétique.

A titre d'exemple, on obtient de bons résultats avec des dipôles stator de 80 cm de long et des plots rotor de 60 cm de diamètre. Il est possible d'augmenter la force de l'aimant en agissant sur le champ magnétique. A cet effet, en référence à la figure 8, l'ajout d'une semelle M1 en fer sous l'aimant dévie le champ magnétique et densifie les lignes de champ sur le pôle opposé en limitant la diffusion du champ dans l'espace. De manière optionnelle, on peut ajouter, sous la semelle M1 en fer, une semelle M2 en aluminium qui est partiellement imperméable au champ magnétique. Comme exposé précédemment en référence au dipôle Q, il est également possible de remplacer l'aimant permanent unique du plot M par une pluralité de petits aimants permanents.

Construction du moteur : disposition du plot rotor par rapport au dipôle stator La figure 9 illustre de manière schématique le moteur conforme à un mode de réalisation de l'invention. On y voit la trajectoire d'un plot M du rotor, le stator comprenant 6 dipôles Q rectangulaires. La figure 10 illustre une portion de ce moteur, sur laquelle on a représenté un plot rotor M circulaire et un dipôle stator Q rectangulaire. On détaillera plus loin les possibilités en termes de nombre de plots rotor et de nombre de dipôles stator. Sur cette figure apparaissent les références suivantes : I centre du plot M A axe de symétrie du dipôle Q (perpendiculaire au champ magnétique), ici confondu avec la médiatrice du dipôle Q AN : médiatrice du pôle N du dipôle Q AS médiatrice du pôle S du dipôle Q AE : droite délimitant le début de la zone d'action du dipôle Q sur le plot M Ap : droite délimitant la fin de la zone d'action du dipôle sur le plot M E point d'entrée du plot dans la zone d'action P point de sortie du plot de la zone d'action D trajectoire rectiligne du point I entre les points E et S -Ax, +Èx : écart entre la trajectoire D et la droite A au point E (respectivement au point P) AX : projection de la trajectoire du plot M sur le champ magnétique, correspondant à la distance entre le point d'entrée et le point de sortie de la trajectoire du plot M sur le dipôle Q R rayon de rotation 0 centre de rotation C cercle de centre 0, correspondant à une trajectoire circulaire possible de I Ces notations et définitions restent valables pour toute la suite de la description.

Dans la zone d'action du dipôle Q, délimitée par les droites AN et As d'une part, et les droites AE et Ap d'autre part, on peut imposer au centre I du plot M trois types de trajectoires possibles : - une trajectoire à rayon R constant : cette trajectoire correspond à une famille de cercles C de rayon R et de centre O. Ce type de trajectoire présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre mécaniquement (rotation simple). Toutefois, elle procure un rendement K très faible, et produit donc un travail très faible. - une trajectoire à rayon R variable et angle a constant : cette trajectoire correspond à une famille de droites D. Ce type de trajectoire possède un rendement élevé et produit donc un travail important, mais est relativement complexe à mettre en oeuvre d'un point de vue mécanique car elle combine une rotation et un mouvement alternatif. Il existe en outre des contraintes mécaniques élevées qui limitent la vitesse de rotation. - une trajectoire à rayon R et angle a variables : ce type de trajectoire, intermédiaire entre les deux types précédemment décrits, implique une variation de rayon plus faible que dans le cas précédent (de l'ordre de 5% contre 10%). Elle possède un rendement élevé et procure une vitesse de rotation beaucoup plus régulière.

Les paramètres géométriques importants dans le dimensionnement du moteur sont : les sinus des angles a, aE et ap, la distance AX et le diamètre (PM ou la longueur LM. La combinaison de ces différents paramètres détermine les performances du moteur. En premier lieu, le contrôle de l'angle a nécessite la variation du rayon R. A cet effet, comme on l'a vu précédemment, les angles doivent être non nuls. Le choix d'un angle constant a = aE = ap donne des résultats très satisfaisants. Le sinus de l'angle a est de préférence compris entre 0,15 et 0,45 ou, de manière encore préférée, entre 0,15 et 0,30. La bande définie par les droites -Ax et +Ax doit être incluse dans la bande délimitée par les droites AN et As. Ces deux bandes ne sont pas nécessairement centrées.

Définition technique du moteur avec une trajectoire à rayon variable Les figures 11 et 12 représentent de manière schématique respectivement une vue de face et une vue de côté d'un moteur dont le disque stator S1 comprend 6 dipôles Q parallélépipédiques et dont le disque rotor R1 comprend 15 plots M.

Le stator S1 se présente sous la forme d'un disque fixe comprenant dans sa partie centrale une came 1 dont le profil correspond à celui de la trajectoire souhaitée pour le centre des plots M. Le disque stator est mobile en coulissement dans une direction axiale sur la came qui est fixe, ce qui permet de l'éloigner ou de le rapprocher du rotor pour faire varier la vitesse de rotation du moteur. La came 1 coopère avec un galet 2 solidaire d'un rail coulissant 4. Le rail 4 est mobile en translation dans une direction parallèle au disque formant le rotor R1. Le rail 4 est monté coulissant dans un moyen de guidage linéaire 3. Ainsi, le rail 4 est animé d'un mouvement linéaire alternatif. Le plot M, solidaire du rail 4, parcourt donc la trajectoire définie par le profil de la came. Sur les figures présentées, la came 1 est intérieure au disque rotor (R1), mais elle peut aussi, de manière particulièrement avantageuse, être extérieure au disque rotor.

Détermination du nombre de plots du rotor On détermine le nombre de plots M du rotor pour un stator comprenant une pluralité de dipôles Q rectangulaires ou curvilignes. Si le plot M est circulaire, la distance d entre deux plots M consécutifs doit être comprise entre 0,5 (PM et 2 (PM. Plus précisément, une distance d de l'ordre de (PM donne de très bons résultats.

On en déduit le nombre maximal de plots M que l'on peut implanter sur le rotor : R •2•n NR= d où Ro est le rayon de rotation du centre du plot mobile. Ce faisant, il est nécessaire d'équilibrer le nombre de plots du rotor et le nombre de dipôles du stator. En effet, les plots mobiles M ne doivent pas se trouver simultanément dans la zone de travail négatif, c'est-à-dire à l'entrée et/ou à la sortie de la zone d'action du dipôle stator Q. Les plots M doivent être répartis sur la totalité de la zone de travail pendant tout le cycle. Ainsi, on choisira de préférence des nombres de dipôles et de plots qui soient premiers entre eux. On peut conserver cette configuration des plots mobiles du rotor lorsque le stator ne comprend qu'un seul dipôle curviligne.

II est toutefois possible de minimiser le nombre de plots M sur le rotor. A cet effet, on disposera, pour garantir la régularité du cycle, au moins trois plots M équidistants sur la périphérie du rotor. Dans ce cas, les plots ne sont plus circulaires mais curvilignes avec une longueur L (sur la circonférence) bien supérieure à la largeur I. Les plots M ont alors la forme de portions de couronne, dont la courbure doit respecter la condition selon laquelle l'angle a est sensiblement constant. Détermination du nombre de dipôles du stator On rappelle que la composante FT , sur la trajectoire du plot M, de la force FB exercée par le champ magnétique B généré par le dipôle Q est : FT =FB •sina et que le travail W fourni par le déplacement du plot M sur une longueur L est : W =FT L. Or, sina peut être assimilé à - en faisant l'hypothèse, pour un angle a petit, que sina = tana , ÈX étant l'écart sur la trajectoire de travail positif sur le dipôle Q.

On en déduit que le travail W = Fb • L • L est en fait indépendant de la longueur L et ne dépend que de l'écart Ax, à force FB donnée. Par conséquent, pour obtenir un travail maximum, la somme des écarts ÈX sur la circonférence doit être maximale, ce qui se traduit : -soit par un dipôle stator Q unique correspondant à ÈX maximal ; - soit NS dipôles stator Q où (NsÈX) est maximal, dans la mesure où les paramètres géométriques prépondérants décrits plus haut sont respectés. Cette définition est applicable que la trajectoire soit à rayon constant ou variable.

Choix des matériaux On utilise pour la fabrication du moteur trois catégories de matériaux : - des matériaux magnétiques et conducteurs électriques, tels que le fer ; - des matériaux conducteurs électriques mais non magnétiques, tels que l'aluminium et certains inox ; - des matériaux non magnétiques et non conducteurs, tels que des polymères (polyamide, époxy, polyester...), renforcés ou non par des fibres de verre. Les parties centrales du moteur, situées hors du champ magnétique, telles que les arbres, les roulements, la came, seront choisies de préférence en acier. Les disques formant le rotor et le stator seront en aluminium ou en polymère. Les parties du moteur exposées au champ magnétique et où l'on doit éviter la formation de courants de Foucault seront avantageusement en polymère. Les éléments de guidage linéaire seront en aluminium ou en inox spécial. 12 Enfin, pour obtenir des aimants puissants, on les choisira en alliage à base de néodyme.

Commande du moteur Le moteur est commandé en positions marche / arrêt et variation de la vitesse de rotation. Deux moyens de commande sont envisageables à cet effet : - Selon un premier mode de réalisation, on intercale une feuille d'aluminium ou d'un autre isolant magnétique entre le rotor et le stator. - Selon un deuxième mode de réalisation, on éloigne le rotor et le stator l'un de l'autre, soit selon une direction axiale (c'est-à-dire que les deux disques sont éloignés l'un de l'autre en restant parallèles et concentriques), soit selon une direction radiale (de sorte que les plots M du rotor soient ramenés vers le centre de rotation hors de la couronne comprenant les dipôles du stator), par des moyens électriques, pneumatiques ou mécaniques. Selon une variante de réalisation qui sera décrite en détail plus bas (variante 4), l'assistance d'un électro-aimant permet de faire varier les caractéristiques du moteur (vitesse, couple, puissance).

Selon un mode de réalisation plus complexe, le moteur conforme à l'invention comprend une alternance de plusieurs rotors compris entre des stators. La puissance d'un tel moteur dépend du nombre de disques rotors / stators 25 et par conséquent, pour un encombrement donné, de l'épaisseur de chaque disque. Or on peut diminuer l'épaisseur d'un aimant en conservant sa force par unité de surface, en le composant d'une pluralité d'aimants unitaires rectangulaires (a) ou cylindriques (b), plus petits, dont le rapport épaisseur / 30 diamètre est compris entre 1 et 2,5, comme représenté sur la figure 13. A encombrement constant, on peut donc augmenter le nombre de disques en miniaturisant les aimants permanents des dipôles Q et/ou des plots M. Enfin, l'utilisation de dipôles à la fois sur le rotor et sur le stator permet de confiner les champs propres à chaque disque.

Exemples de mise en oeuvre de l'invention Variante 1 a û Traiectoire à rayon constant avec dipôle curviligne Pour obtenir une trajectoire circulaire tout en respectant les paramètres géométriques permettant de bénéficier d'un rendement optimal (notamment un angle a sensiblement constant), on choisit des dipôles Q curvilignes plutôt que rectangulaires. Par dipôle curviligne, on entend un dipôle ayant la forme d'une portion de couronne. Un dipôle curviligne possède des lignes de champ divergentes.

En choisissant un angle a (et donc une valeur de sin a) faible, un seul dipôle Q sera suffisant pour toute la trajectoire. Si l'angle a (et donc une valeur de sin a) est plus élevé, une pluralité de dipôles Q sera nécessaire. En référence à la figure 14, on définit la géométrie dudit dipôle curviligne 15 comme suit. On trace tout d'abord la trajectoire D circulaire, de centre O et de rayon R. On dessine ensuite l'axe de symétrie A du dipôle Q de telle sorte qu'il présente en tout point un angle a constant par rapport à la trajectoire D. Pour un tel dipôle, l'axe de symétrie du dipôle est en effet confondu avec la 20 perpendiculaire au champ magnétique. Pour un dipôle Q dont la longueur et la largeur ont des valeurs voisines, le rayon de courbure de la courbe médiatrice correspond sensiblement au rayon R de la trajectoire, le centre O' de ce cercle étant distinct du centre O de la trajectoire. 25 La figure 15 illustre un exemple où le stator comprend 6 dipôles Q curvilignes. La figure 16 représente une vue de côté du moteur correspondant, le stator S1 comprenant 6 dipôles Q et le rotor R1 comprenant 15 plots M. Le stator S1 est mobile en translation dans la direction axiale : c'est l'éloignement ou le 30 rapprochement vis-à-vis du rotor qui permet de faire varier la vitesse de rotation du rotor.

Variante 1 b û Traiectoire à rayon constant et stator comprenant un seul dipôle Selon une variante de la solution précédente, représentée à la figure 17, le stator comprend un seul dipôle dont la forme est celle d'une couronne sur un secteur angulaire important. Variante 2 û Traiectoire à rayon variable On peut obtenir de meilleurs

résultats qu'avec les définitions précédentes en faisant varier le rayon R de la trajectoire de manière à maîtriser les angles aE et ap, que le dipôle Q soit rectangulaire ou curviligne. De manière particulièrement avantageuse, l'utilisation de dipôles Q curvilignes permet des variations de rayon très faibles, un nombre de dipôles Q restreint û donc un nombre réduit de variations de rayon par tour û et un rendement supérieur à celui obtenu avec une trajectoire circulaire. Cette définition technique (représentée à la figure 18) peut s'appliquer à un stator comprenant 4 dipôles Q (comme sur la figure 19) ou un dipôle Q unique (tel qu'à la figure 20).

Variante 3 û Rotor comprenant un dipôle Q Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on remplace, sur le rotor, les plots M par des dipôles Qrotor du même type que ceux définis pour le stator.

En effet, comme exposé plus haut, les dipôles permettent une meilleure maîtrise du champ magnétique. L'action produite par les deux dipôles du rotor et du stator est similaire à celle exposée dans les exemples précédents. L'inventeur a toutefois déterminé que les dipôles devaient respecter certaines conditions : - l'entraxe entre les pôles Nord et Sud doit être identique pour le dipôle du rotor et celui du stator ; - les pôles similaires du dipôle rotor et du dipôle stator sont situés en vis-à-vis de manière à créer un effet de répulsion ; - le dipôle du rotor a la même longueur que celui du stator et une largeur inférieure à la largeur du dipôle stator. Cette définition est représentée à la figure 21, sur laquelle on désigne par Qrotor le dipôle du rotor et Qstator le dipôle du stator.

Cette variante de réalisation est applicable que le dipôle du stator soit parallélépipédique, prismatique à base quadrilatère ou curviligne, et que la trajectoire soit à rayon constant ou variable. Elle présente l'avantage que les surfaces des dipôles en interaction sont beaucoup plus importantes que dans le cas où le plot du rotor est un disque. Or, les forces étant directement proportionnelles aux surfaces en interaction, les forces obtenues sont beaucoup plus importantes. En outre, il est possible d'agir sur les angles dans les deux dimensions entre les plans rotor/stator et obtenir des forces secondaires utilisables.

En revanche, contrairement au plot en forme de disque qui est symétrique, le dipôle Qrotor nécessite une orientation contrôlée par rapport à la trajectoire afin de procurer un rendement optimal. On préférera donc utiliser cette variante avec des dipôles Qstator curvilignes plutôt que parallélépipédiques, comme représenté à la figure 22. En effet, ceci permet au bord du dipôle rotor d'être parallèle au bord du dipôle stator, à l'entrée et à la sortie de la trajectoire du dipôle rotor sur le dipôle stator. La figure 23 illustre le cas particulier d'un moteur avec un stator comprenant 4 dipôles Qstator curvilignes et un rotor avec un dipôle Qrotor parallélépipédique, effectuant une trajectoire à rayon R constant.

La figure 24 illustre un autre exemple, où le stator comprend un seul dipôle Qstator ayant la forme d'une portion de couronne, et où le rotor comprend 6 dipôles Qrotor curvilignes effectuant une trajectoire à rayon R constant.

Variante 4 û Stator comprenant d'un électro-aimant L'intégration d'un électro-aimant au stator permet d'une part d'augmenter la puissance du moteur, et d'autre part de mieux maîtriser le couple, la puissance et la vitesse de rotation de celui-ci. A cet effet, on dispose des électro-aimants EA entre les dipôles Q du stator, sur la trajectoire des plots M du rotor en vis-à-vis de ceux-ci. Dans l'exemple illustré à la figure 25, le stator comprend un unique dipôle Q et un unique électro-aimant EA. Le rotor comprend un unique plot M ayant une trajectoire circulaire (i.e. le rayon R est constant, l'angle a pouvant être variable ou constant). Au passage du plot M, on déclenche l'électro-aimant EA de sorte qu'une répulsion Nord-Nord s'exerce sur le plot M pour le forcer à entrer et/ou à sortir de la zone d'action du dipôle Q du stator. Ceci permet de diminuer au mieux le travail négatif d'entrée et de sortie du plot rotor M. On agit donc favorablement sur le rendement K. Cette option est applicable à toutes les variantes décrites précédemment, mais elle s'avère particulièrement intéressante pour améliorer les performances des solutions qui ont le rendement le plus faible ù notamment, du type où le stator comprend un seul dipôle et où la trajectoire du plot M est à rayon constant.

Résultats expérimentaux Pour étayer l'amélioration du rendement qu'apporte le moteur conforme à l'invention, on va donner quelques résultats expérimentaux. A cet effet, l'inventeur a réalisé un montage permettant de mesurer la force générée par le déplacement d'un plot magnétique M du rotor dans le champ créé par un dipôle Q du stator. Il a tracé des courbes représentant la force sur la trajectoire du plot. La mesure de l'aire comprise entre la courbe et l'axe des abscisses donne le travail fourni : lorsque la courbe est sous l'axe des abscisses, le travail W- est négatif ; lorsque la courbe est au-dessus de l'axe des abscisses, le travail W+ est positif. On peut alors calculer le rendement K qui est égal au rapport W+ / W-. Le montage sur lequel les résultats ci-dessous ont été obtenus correspond à un moteur à un disque stator comprenant 5 dipôles Q et un rotor comprenant 8 plots rotor de 60 mm de diamètre, dont le rayon de rotation est de l'ordre de 160 mm. Pour une trajectoire à rayon constant, on obtient un rendement K de l'ordre de 1, 15 à 1,20. Pour une trajectoire à rayon variable, et pour un dipôle comprenant une pluralité d'aimants cylindriques, on obtient un rendement K compris entre 2,1 et 2,4, pouvant atteindre un maximum de 3,5. On montre que l'on améliore le rendement en utilisant, pour le dipôle Q du stator, une pluralité d'aimants cylindriques au lieu d'aimants monoblocs. A titre de comparaison, à force moyenne égale, on obtient un rendement K de l'ordre de 2,4 dans le premier cas, et de 1,5 dans le second cas.

La force moyenne mesurée s'exerçant sur un plot M du rotor parcourant le stator est de 1500 g, soit 12 kg sur tout le rotor à 8 plots (pour une face d'un disque rotor), correspondant en théorie, pour une rotation à 1000 tours/minute, à 2 kWh.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Moteur magnétique à aimants permanents comprenant au moins un disque stator (Si) et au moins un disque rotor (R1), le disque rotor (R1) et le disque stator (Si) travaillant sur leurs faces en vis-à-vis, caractérisé en ce que : - le disque stator (Si) comprend, sur sa face de travail, au moins un dipôle magnétique (Q) constitué de deux plots magnétiques (Q1, Q2) reliés par un barreau métallique (Q3) pour former un champ magnétique plan, - le disque rotor (R1) comprend, sur sa face de travail, au moins un élément magnétique disposé de manière à être soumis périodiquement à l'action du champ magnétique généré par le dipôle (Q) lors de la rotation du disque rotor (R1 ), et en ce que, lorsqu'il est dans la zone d'action dudit champ magnétique, le centre de l'élément magnétique parcourt une trajectoire (D) présentant, avec la perpendiculaire au champ magnétique, un angle (a) prédéterminé.

2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des plots magnétiques (Q1, Q2) du dipôle (Q) du disque stator est un aimant permanent ou est formé d'une pluralité d'aimants permanents jointifs ou d'une pluralité d'aimants permanents cylindriques.

3. Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément magnétique du disque rotor est choisi parmi un plot (M) formé d'un aimant permanent cylindrique, prismatique à base quadrilatère ou parallélépipédique, et un dipôle (Qrotor) constitué de deux plots magnétiques sur un barreau métallique, lesdits plots étant chacun un aimant permanent ou étant formés d'une pluralité d'aimants permanents jointifs ou d'une pluralité d'aimants permanents cylindriques.

4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le sinus de l'angle (a) entre la trajectoire (D) et la perpendiculaire au champ magnétique, est compris entre 0,15 et 0,45.

5. Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dipôle (Q) du disque stator a la forme d'une portion de couronne, d'un quadrilatère ou d'un parallélépipède.

6. Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on contrôle l'angle (a) entre la trajectoire (D) et la perpendiculaire au champ magnétique par une variation du rayon de la trajectoire du centre de l'élément magnétique du disque rotor.

7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le disque stator (Si) comprend une came (1), intérieure ou extérieure au disque rotor (R1), coopérant avec un galet (2) solidaire d'un plot magnétique (M) du disque rotor et apte à coulisser dans un élément (3) de guidage en translation solidaire du disque rotor (R1), de sorte que le centre (I) du plot (M) parcourt une trajectoire (D) parallèle au profil de la came (1).

8. Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de coulissement axial du disque stator (Si) par rapport au disque rotor (R1).

9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour ramener les éléments magnétiques du rotor vers le centre du disque rotor. 25

10. Moteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour intercaler, entre le disque rotor et le disque stator, un matériau isolant magnétique.

11. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 30 les dimensions relatives du dipôle (Q) du disque stator et de l'élément magnétique du disque rotor sont données par les formules suivantes : (i) longueur du dipôle stator (Q) = longueur du plot rotor (M) + AX,20 où AX est la projection de la trajectoire du plot (M) sur le champ magnétique entre le point d'entrée et le point de sortie de cette trajectoire sur le dipôle stator (Q), (ii) la largeur du dipôle stator (Q) est supérieure à la largeur du plot rotor (M).

12. Moteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le disque stator (Si) comprend un unique dipôle (Q), ledit dipôle ayant la forme d'une portion de couronne.

13. Moteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le disque stator (Si) comprend 5 à 6 dipôles magnétiques (Q) et en ce que le disque rotor comprend 8 à 11 plots magnétiques (M). 15

14. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque stator (Si) comprend au moins un électro-aimant (EA) disposé de manière à agir périodiquement sur l'élément magnétique du rotor.

15. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 20 comprend au moins deux disques stators, le disque rotor (R1) étant disposé entre les deux disques stators et comprenant des éléments magnétiques (M) sur ses deux faces.

16. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 25 comprend une pluralité de disques rotors et de disques stators disposés de manière alternée.10