FR3005809A1 - Moteur electrique a courant continu - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur électrique (40), comprenant un stator (2) et un rotor (3), le stator comprenant un boîtier (12) ayant une surface interne (20) et une surface externe (22), et au moins un aimant (24) fixé à la surface interne et ayant une face (30) en regard du rotor, ledit moteur comprenant, en outre, au moins une rainure (42) prévue sur la surface externe et/ou sur la face.

Description

B12466 - 3416 1.FR 1 MOTEUR ÉLECTRIQUE À COURANT CONTINU Domaine La présente demande concerne les moteurs électriques à courant continu, en particulier les moteurs électriques à courant continu de petites dimensions.

Exposé de l'art antérieur Les moteurs à courant continu de petites dimensions sont utilisés notamment dans le domaine automobile, par exemple pour l'ouverture et la fermeture des vitres du véhicule, le déplacement de l'assise d'un siège du véhicule sur des rails ou l'inclinaison du dossier du siège par rapport à l'assise. Les brevets US 8 274 189, US 7 498 706 et US 7 427 817 décrivent des exemples de moteurs électriques à courant continu de petites dimensions. Un inconvénient de ce type de moteurs est qu'ils 15 peuvent présenter un couple d'encochage, appelé "cogging torque" en anglais, pouvant entraîner l'apparition de vibrations indésirables lors du fonctionnement du moteur électrique. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un moteur 20 électrique, comprenant un stator et un rotor, le stator comprenant un boîtier ayant une surface interne et une surface externe, et au moins un aimant fixé à la surface interne et B12466 - 3416 1.FR 2 ayant une face en regard du rotor, ledit moteur comprenant, en outre, au moins une rainure prévue sur la surface externe et/ou sur la face. Selon un mode de réalisation, la rainure s'étend 5 parallèlement à l'axe de rotation du rotor. Selon un mode de réalisation, le moteur comprend au moins deux aimants adjacents séparés par un interstice et la rainure est disposée sur la surface externe en regard de l'interstice. 10 Selon un mode de réalisation, la rainure est prévue sur la surface externe, et la surface interne comprend au moins une portion bombée vers l'intérieur du moteur, en regard de la rainure. Selon un mode de réalisation, le moteur comprend au 15 moins deux aimants jointifs et la rainure est disposée sur la surface externe en regard de la zone de jonction des aimants. Selon un mode de réalisation, la rainure est située, dans une section droite, en partie médiane de la face de l'aimant. 20 Selon un mode de réalisation, le rapport entre la profondeur de la rainure et la largeur de la rainure est compris entre 0,1 et 1. Selon un mode de réalisation, le moteur comprend au moins N aimants permanents fixés à la surface interne, N étant 25 un nombre entier supérieur ou égal à 2, et au moins N rainures prévues sur la surface externe et/ou sur les faces des aimants. Un mode de réalisation prévoit un véhicule automobile, comprenant au moins un moteur tel que défini précédemment. Brève description des dessins 30 Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, sont exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est coupe axiale d'un exemple de moteur 35 électrique à courant continu et à aimants permanents ; B12466 - 3416 1.FR 3 la figure 2 est une section droite, partielle et schématique, du moteur électrique de la figure 1 ; la figure 3 est une section droite, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un moteur électrique à 5 courant continu et à aimants permanents ; la figure 4 représente des courbes d'évolution du couple d'encochage en fonction de l'angle d'inclinaison du rotor pour des moteurs analogues aux moteurs des figures 2 et 3 ; les figures 5 et 6 sont des sections droites, 10 partielles et schématiques, d'autres modes de réalisation de moteurs électriques à courant continu et à aimants permanents ; et la figure 7 représente des courbes d'évolution du couple d'encochage en fonction de l'angle d'inclinaison du rotor 15 pour des moteurs analogues aux moteurs des figures 2 et 6. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Dans 20 la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près". En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension de la présente description ont été représentés et sont décrits. En particulier, les enroulements du rotor et le 25 commutateur du moteur électrique à courant continu sont des éléments bien connus de l'homme du métier et ne sont pas décrits en détail. La figure 1 est une reproduction partielle de la figure LA du brevet US 7 498 706. La figure 1 est une coupe 30 axiale d'un exemple de moteur 1 à courant continu et à aimants permanents et la figure 2 est une section droite du moteur 1 de la figure 1 dans un plan perpendiculaire à l'axe A de rotation du moteur 1. Le moteur 1 comprend un stator 2 et un rotor 3. Le rotor 3 comprend un arbre de rotor 4 d'axe A et un corps de 35 rotor 5 monté sur l'arbre 4 et comprenant des branches 6, chaque B12466 - 3416 1.FR 4 branche 6 se prolongeant par des dents 7 à l'extrémité opposée à l'arbre 4. Le rotor 3 comprend, en outre, des enroulements 8, non représentés en figure 2, entourant les branches 6 et un commutateur 9 fixé à l'arbre 4. Le commutateur 9 comprend, par exemple, une pièce de commutation 10 fixée à l'arbre 4 et une varistance de limitation de courant 11. Le stator 2 comprend un boîtier 12, par exemple en acier, notamment en acier doux, comprenant une portion d'extrémité 13 et une portion centrale 14. Le boîtier 12 est fermé par un couvercle 15 à l'extrémité opposée à la portion d'extrémité 13. Le rotor 3 est monté libre en rotation par rapport au stator 2. Plus précisément, l'arbre de rotor 4 est monté libre en rotation par rapport à la paroi d'extrémité 13 par un palier 16 et est monté libre en rotation par rapport au couvercle 15 par un palier 17. Une borne de connexion 18 comprenant un balai 19 est logée dans le couvercle 15, le balai 19 venant au contact de la pièce de commutation 10. A titre d'exemple, en figure 2, on a représenté un corps de rotor 5 comprenant six branches 6. Toutefois, le nombre de branches 6 peut être différent de six et peut notamment varier entre trois et vingt. La portion centrale 14 du boîtier 12 a, par exemple, la forme d'un polygone, notamment d'un octogone, dans le plan de la figure 2 et comprend une surface interne 20 et une surface externe 22. Des aimants permanents 24, par exemple en ferrite, sont fixés à la surface interne 20 de la portion centrale 14, les dents 7 du corps du rotor 5 faisant face aux aimants 24. La portion centrale 14 comprend N portions de connexion 26 et N portions latérales 28, où N est un nombre entier pouvant varier de deux à huit. Les portions latérales 28 d'une paire de portions latérales 24 adjacentes sont reliées l'une à l'autre par l'une des portions de connexion 26. Dans le présent exemple, le nombre N est, à titre d'exemple, égal à quatre. A titre d'exemple, le stator 2 est, dans le plan de la figure 2, à symétrie centrale autour de l'axe A et la face B12466 - 3416 1.FR externe 22 du boîtier 12 est inscrite dans un carré. Les faces externes de deux portions latérales 28 opposées sont séparées de la distance D. Dans le plan de la figure 2, les portions de connexion 26 et les portions latérales 28 sont sensiblement 5 planes, chaque portion de connexion 26 étant inclinée d'environ 45° par rapport aux portions latérales 28 adjacentes. A titre de variante, les portions de connexion 26 peuvent ne pas être planes et suivre chacune une ligne moyenne ayant une forme courbe, par exemple la forme d'un arc concave ou convexe. De même, les portions latérales 28 peuvent ne pas être planes et suivre une ligne moyenne ayant une forme courbe, par exemple la forme d'un arc concave ou convexe. De préférence, chaque portion latérale 28 suit une ligne moyenne ayant la forme d'un arc concave.

Le moteur 1 comprend N aimants permanents 24. Dans le présent exemple, le moteur 1 comprend quatre aimants permanents 24. Chaque aimant permanent 24 recouvre l'une des portions de connexion 26 et s'étend sur une partie des portions latérales 28 de part et d'autre de la portion de connexion 26. Chaque aimant 24 comprend une surface 30, en vis-à-vis des dents 7 du rotor 3, qui correspond à un segment d'un cylindre à base circulaire d'axe A et de rayon R1. Chaque portion de connexion 26 est vue depuis l'axe A selon un angle a et chaque aimant permanent 24 est vu depuis l'axe A selon un angle 13.

Même si le couple moteur pouvant être obtenu avec l'exemple de moteur 1 représenté sur les figures 1 et 2 est satisfaisant, notamment pour une application dans le domaine automobile, ce moteur présente certains inconvénients. Un inconvénient est que le couple d'encochage du moteur 1 peut perturber le fonctionnement du moteur. Le couple d'encochage est le couple vu par le rotor 3 lorsqu'on le fait tourner par rapport au stator 2 alors que le moteur 1 n'est pas alimenté. Il s'agit d'un couple qui est alternativement moteur ou résistif en fonction de la position du rotor 3 par rapport aux aimants permanents 24. Dans certains modes de fonctionnement B12466 - 3416 1.FR 6 du moteur 1, le couple d'encochage peut favoriser l'apparition de vibrations qui sont indésirables. Il est donc souhaitable de réduire le couple d'encochage du moteur 1 tout en conservant des performances en couple moteur au moins analogues dans les mêmes conditions de fonctionnement. Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des moteurs électriques à courant continu décrits précédemment. Un autre objet d'un mode de réalisation est que le 10 couple d'encochage est réduit. Un autre objet d'un mode de réalisation est que les performances en couple moteur sont analogues aux moteurs à courant continu connus dans les mêmes conditions de fonctionnement. 15 La figure 3 est une section droite, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un moteur électrique 40. En figure 3, seul le corps 5 et l'arbre 4 du rotor 3 sont représentés, les enroulements du rotor n'étant pas représentés. Le moteur 40 a sensiblement la même structure que le 20 moteur 1 représenté aux figures 1 et 2 à la différence qu'il comprend, en outre, des rainures 42 prévues dans la face externe 22. De préférence, chaque portion latérale 28 comprend une rainure 42 prévue dans la face externe 22. La rainure 42 s'étend parallèlement à l'axe A, de préférence sur la totalité de la 25 portion centrale 14 du boîtier 12. La rainure 42 a une profondeur P1 une largeur L1. La rainure 42 peut, dans le plan de la figure 3, avoir la forme d'un arc de cercle de rayon R2. En dehors des rainures 42, l'épaisseur des portions 26, 28 peut être sensiblement 30 constante. A titre de variante, seules certaines des portions latérales 28 peuvent comprendre la rainure 42. La partie de la face interne 20 de la portion latérale 28 en regard de la rainure 42 peut être sensiblement plane. Le rapport entre la profondeur P1 de la rainure 42 et la largeur L1 de la rainure 42 35 est compris entre 0,02 et 0,5, de préférence entre 0,05 et 0,2.

B12466 - 3416 1.FR 7 Dans le présent mode de réalisation, les aimants 24 ne sont pas jointifs et chaque aimant 24 est séparé des aimants adjacents par des interstices 44. De préférence, chaque rainure 42 est prévue au moins en partie en regard de l'un des interstices 44. De préférence, la largeur L1 de la rainure 42 est sensiblement égale à la largeur de l'interstice 44 adjacent. A titre de variante, les aimants 24 peuvent être jointifs. Dans ce cas, chaque rainure 42 est prévue au moins en partie en regard de la zone de jonction entre deux aimants adjacents 24.

Des exemples de dimensions du moteur 40 sont les suivantes : distance D : entre 15 mm et 60 mm, de préférence entre 20 mm et 45 mm, en particulier environ 30 mm ; longueur du moteur 40 mesurée selon l'axe A : entre 15 30 mm et 120 mm, par exemple environ 80 mm ; épaisseur des portions 26 et 28 : entre 1 mm et 2 mm, en particulier environ 1,5 mm ; rayon R1 : entre 7 mm et 90 mm, de préférence entre 10 mm et 15 mm, en particulier environ 12 mm ; 20 angle a : entre 10° et 70°, de préférence entre 30° et 50°, en particulier environ 30° ; angle 13 : entre 15° et 180°, de préférence entre 20° et 90°, en particulier environ 70° ; largeur L1 : entre 1 mm et 10 mm, de préférence entre 25 3 mm et 8 mm, en particulier environ 5 mm ; profondeur P1 : entre 0,1 mm et 1 mm, de préférence entre 0,3 mm et 0,8 mm, en particulier environ 0,5 mm ; et rayon R2 : entre 4 mm et 200 mm, de préférence entre 5 mm et 50 mm, en particulier environ 8 mm. 30 Les inventeurs ont mis en évidence que la présence de la rainure 42 entraînait une saturation du flux magnétique au niveau de la rainure 42 dans la portion latérale 28 et une diminution du flux magnétique radial vu par les dents 7 du rotor 3 lors de leur passage entre deux aimants 24 adjacents.

B12466 - 3416 1.FR 8 La diminution locale du flux magnétique radial vu par le rotor 3 n'a sensiblement pas entraîné de diminution des performances en couple moteur du moteur 40 par rapport au moteur 1. Toutefois, une réduction du couple d'encochage a été obtenue.

La figure 4 représente des courbes d'évolution C1 et C2 du couple d'encochage vu par l'arbre de rotor 4 au cours de la rotation du rotor 3 respectivement pour le moteur 1 de la figure 2 et le moteur 40 de la figure 3. Les courbes C1 et C2 ont été déterminées par simulation par ordinateur. Les courbes C1 et C2 ont été représentées en fonction de l'angle de rotation du rotor 2 autour de l'axe A. Le couple d'encochage du moteur 40 a été réduit en moyenne d'environ 65 % pour une rotation de 360° par rapport au couple d'encochage du moteur 1.

La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un moteur électrique 50 à courant continu. Par rapport au mode de réalisation représenté en figure 3, chaque rainure 42 est obtenue par déformation locale de la paroi latérale 28 correspondante. Dans ce cas, la partie de la face interne 20 de la portion latérale 28 en regard de la rainure 42 n'est pas plane mais comporte une partie bombée 52 vers l'intérieur du moteur 50. L'épaisseur de la portion latérale 28 entre la rainure 42 et la zone bombée 52 peut être sensiblement constante et égale à l'épaisseur de la portion latérale 28 en dehors de la zone déformée. A titre de variante, l'épaisseur de la portion latérale 28 entre la rainure 42 et la zone bombée 52 peut être strictement inférieure à l'épaisseur de la portion latérale 28 en dehors de la zone déformée. Les inventeurs ont mis en évidence que la présence de la rainure 42 et de la zone bombée 52 entraînait une diminution du flux magnétique radial vu par les dents 7 du rotor 3 lors de leur passage entre deux aimants 24 adjacents. La diminution locale du flux magnétique radial vu par le rotor 3 n'a sensiblement pas entraîné de diminution des performances en B12466 - 3416 1.FR 9 couple moteur du moteur 40 par rapport au moteur 1. Toutefois, une réduction du couple d'encochage a été obtenue. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un moteur électrique 60 à courant continu. Par rapport au mode 5 de réalisation représenté en figure 2, chaque aimant 24 comprend, en outre, une rainure 62 prévue sur la face interne 30 de l'aimant 24. La rainure 62 a une profondeur P2 et une largeur L2. Le rapport entre la profondeur P2 de la rainure 62 et la largeur L2 de la rainure 62 est compris entre 0,1 et 1, de 10 préférence entre 0,125 et 0,5, en particulier égal à 0,25. La rainure 62 peut, dans le plan de la figure 6, avoir la forme d'un arc de cercle de rayon R3. La face interne 30 de chaque aimant 24 comprend deux bords extrêmes 64, 66. La face externe de chaque dent 7 comprend deux bords 68, 70. De 15 préférence, la rainure 62 est située sensiblement à équidistance des bords 64, 66. Dans le plan de la figure 6, la surface de chaque dent 7 est vue selon un angle y depuis l'axe A. Dans le plan de la figure 6, on appelle A le point de la face interne 20 de la portion centrale 20 du boîtier 12 situé dans l'interstice 20 44 à équidistance de deux aimants 24 adjacents et on appelle B le point de la face interne 30 dans la rainure 62 de l'aimant 24 situé à équidistance des deux bords 64, 66 de la face interne 30. Dans le plan de la figure 6, on appelle 9 l'angle entre la droite coupant l'axe A et passant par le point A et la droite 25 coupant l'axe A et passant par le point B. De préférence, les angles y et 9 sont sensiblement égaux. La largeur L2 de la rainure 62 est choisie de sorte que le bord 68 d'une dent 7 est en regard d'une rainure 62 lorsque le bord 70 de cette même dent 7 est en regard du point A. 30 Des exemples de dimensions du moteur 60 sont les suivants : largeur L2 : entre 1 mm et 10 mm, de préférence entre 3 mm et 7 mm, en particulier environ 5 mm ; profondeur P2 : entre 0,5 mm et 5 mm, de préférence 35 entre 1 mm et 2 mm, en particulier environ 1,5 mm ; et B12466 - 3416 1.FR 10 rayon de courbure R3 : entre 3 mm et 20 mm, de préférence entre 5 mm et 15 mm, en particulier environ 10 mm. Les inventeurs ont mis en évidence que la présence de la rainure 62 entraînait une diminution locale du flux 5 magnétique radial à la surface de l'aimant 24. Cette diminution locale du flux magnétique radial n'a sensiblement pas entraîné de diminution des performances en couple moteur du moteur 60 par rapport au moteur 1. Toutefois, une réduction du couple d'encochage a été obtenue. 10 La figure 7 représente des courbes d'évolution C3 et C4 du couple d'encochage vu par l'arbre 4 de rotor au cours de la rotation du rotor 3 respectivement pour le moteur 1 de la figure 2 et le moteur 60 de la figure 6. Les courbes C3 et C4 ont été déterminées par simulation par ordinateur. La simulation 15 a été réalisée pour un corps de rotor 5 comprenant une seule branche 6 et une seul dent 7. Les courbes C3 et C4 ont été représentées en fonction de l'angle de rotation de la branche autour de l'axe A. L'angle a été mesuré entre une droite de référence perpendiculaire à l'axe A et s'étendant entre deux 20 aimants adjacents 24 et une droite perpendiculaire à l'axe A et s'étendant au milieu de la branche unique du corps de rotor 5. Le couple d'encochage du moteur 60 a été réduit en moyenne d'environ 30 % pour une rotation de 360° par rapport au couple d'encochage du moteur 1 sans perte de performance. En 25 outre, la fréquence des maxima de la courbe C4 est le double de la fréquence des maxima de la courbe C3. Ceci peut être avantageux pour écarter, de façon simple, la fréquence des sollicitations dues au couple d'encochage par rapport aux fréquences de résonnance du moteur 60. 30 Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications peuvent être envisagées par l'homme de l'art. En particulier, bien que, pour les modes de réalisation représentés aux figures 3 et 5, les aimants 24 soient des aimants permanents, il est clair que ces modes de 35 réalisation peuvent être mis en oeuvre avec des électroaimants.

B12466 - 3416 1.FR 11 De plus, bien que des modes de réalisation aient été décrits pour des moteurs comprenant des boîtiers dont une portion centrale a une forme octogonale, il est clair que ces modes de réalisation peuvent être mis en oeuvre dans le cas d'une portion centrale ayant une section droite de forme circulaire. En outre, divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On note que l'homme de l'art peut combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. En particulier, les rainures 42 du boîtier 12 décrites en relation avec les modes de réalisation représentés aux figures 3 et 5 et les rainures 62 des aimants 24 décrites en relation avec le mode de réalisation représenté à la figure 6 peuvent être prévues sur un même moteur.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Moteur électrique (40 ; 50 ; 60), comprenant un stator (2) et un rotor (3), le stator comprenant un boîtier (12) ayant une surface interne (20) et une surface externe (22), et au moins un aimant (24) fixé à la surface interne et ayant une face (30) en regard du rotor, ledit moteur comprenant, en outre, au moins une rainure (42 ; 62) prévue sur la surface externe et/ou sur la face.
2. 2. Moteur électrique selon la revendication 1, dans lequel la rainure (42 ; 62) s'étend parallèlement à l'axe (A) de rotation du rotor (3).
3. 3. Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2, comprenant au moins deux aimants (24) adjacents séparés par un interstice (44) et dans lequel la rainure (42) est disposée sur la surface externe (22) en regard de l'interstice.
4. 4. Moteur électrique selon la revendication 3, dans lequel la rainure (42) est prévue sur la surface externe (22), et dans lequel la surface interne (20) comprend au moins une portion bombée (52) vers l'intérieur du moteur, en regard de la rainure (42).
5. 5. Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2, comprenant au moins deux aimants (24) jointifs et dans lequel la rainure (42) est disposée sur la surface externe (22) en regard de la zone de jonction des aimants.
6. 6. Moteur électrique selon la revendication 1, dans 25 lequel la rainure (42) est située, dans une section droite, en partie médiane de la face (30) de l'aimant (24).
7. 7. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le rapport entre la profondeur de la rainure (42 ; 62) et la largeur de la rainure est compris 30 entre 0,1 et 1.
8. 8. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins N aimants permanents (24) fixés à la surface interne (20), N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, et comprenant au moins N rainures (42 ;B12466 - 3416 1.FR 13 62) prévues sur la surface externe et/ou sur les faces des aimants.
9. 9. Véhicule automobile, comprenant au moins un moteur (40 ; 50 ; 60) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.