FR3083384A1 - Moteur electrique a courant continu sans balai et rotor associe - Google Patents
Moteur electrique a courant continu sans balai et rotor associe Download PDFInfo
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Description
MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU SANS BALAI ET
ROTOR ASSOCIE
La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balai destiné notamment à des équipements de véhicule automobile.
De nombreux moteurs électriques à courant continu sans balais sont utilisés dans les équipements de véhicules automobiles notamment dans les motoréducteurs des dispositifs d'essuyage.
Les moteurs électriques à courant continu sans balai peuvent présenter de nombreux avantages comme une grande durée de vie, un encombrement et une consommation réduits.
De plus, en appliquant une commande sensiblement sinusoïdale il est possible d'obtenir un faible niveau sonore.
La présente invention vise donc à proposer un moteur à courant continu sans balai ayant un faible niveau sonore.
A cet effet, la présente invention concerne un rotor à aimants intégrés (ou encore encastrés ou enterrés) pour moteur électrique à courant continu sans balai comprenant :
- une pluralité d'aimants permanents,
- un corps, de forme générale cylindrique, destiné à être monté rotatif autour d'un axe de rotation X et comprenant une partie centrale cylindrique et une pluralité de sections en matériau ferromagnétique configurées pour guider un flux magnétique, lesdites sections s'étendant radialement à partir de la partie centrale jusqu'à une portion périphérique, lesdites sections étant séparées par une pluralité de logements, lesdits logements étant destinés à recevoir respectivement lesdits aimants permanents de manière à former une alternance de pôles magnétiques nord et sud au niveau des différentes sections, dans lequel le corps comprend un premier type de section présentant une première géométrie et au moins un deuxième type de section présentant une deuxième géométrie distincte de la première géométrie de manière à créer un champ magnétique dissymétrique autour du rotor.
Le champ magnétique dissymétrique autour du rotor permet d'obtenir une force électromotrice selon une forme en escalier s'approchant d'une forme sinusoïdale qui permet d'obtenir un niveau sonore plus faible du moteur électrique i, un couple plus important à faible vitesse de rotation et un couple réluctant réduit.
Le rotor selon la présente invention peut également présenter l'un des aspects suivants :
Les différents types de section sont disposés en alternance sur la circonférence du corps.
La première géométrie diffère de la deuxième géométrie par une étendue angulaire différente des portions périphériques de la première section et de la deuxième section.
Au moins la première géométrie ou la deuxième géométrie comprend des appendices périphériques s'étendant dans une direction circonférentielle et permettant la retenue des aimants permanents adjacents et si les deux géométries présentent lesdits appendices, les appendices de l'une des géométries sont plus longs que les appendices de l'autre géométrie.
Au moins l'une de la première géométrie ou de la deuxième géométrie comprend une portion périphérique qui s'étend dans une direction circonférentielle de manière dissymétrique vers l'un et l'autre des aimants permanents adjacents.
La première géométrie ou la deuxième géométrie comprend au moins un appendice périphérique s'étendant dans une direction circonférentielle et permettant la retenue d'un aimant permanent adjacent et si la géométrie comprend deux appendices, l'un des appendices est plus long que l'autre appendice.
Le rotor comprend six pôles et le corps comprend deux premières sections, deux deuxièmes sections et deux troisièmes sections d'une troisième géométrie différente de la première et de la deuxième géométrie, les sections de même géométrie étant disposées de manière diamétralement opposées.
Les sections comprennent des orifices centraux qui s'étendent selon une direction longitudinale de manière à réduire l'inductance des pôles.
La présente invention concerne également un moteur électrique à courant continu sans balai comprenant un rotor tel que décrit précédemment.
Selon un autre aspect de la présente invention, le moteur électrique comprend trois phases couvrant le même angle électrique et décalées de 12 o° électriques les unes des autres.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 représente un schéma d'un moteur électrique comprenant un rotor à aimant intégrés, la figure 2 représente un schéma d'un rotor à aimants intégrés selon un premier mode de réalisation de la présente invention, la figure 3 représente un schéma d'un rotor à aimants intégrés selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, la figure 4 représente un schéma un schéma d'un rotor à aimants intégrés selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, la figure 5 représente un schéma d'un rotor à aimants intégrés selon un quatrième mode de réalisation de la présente invention, la figure 6 représente les forces électromotrices générées par les différentes sections en fonction de l'angle de rotation du rotor selon un premier mode de réalisation, la figure 7 représente la somme des forces électromotrices générées par les différentes sections en fonction de l'angle de rotation du rotor selon un premier mode de réalisation, la figure 8 représente les forces électromotrices générées par les différentes sections en fonction de l'angle de rotation du rotor selon un deuxième mode de réalisation, la figure 9 représente la somme des forces électromotrices générées par les différentes sections en fonction de l'angle de rotation du rotor selon un deuxième mode de réalisation.
Sur toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balais, par exemple un moteur électrique utilisé dans des équipements de véhicules automobiles comme les motoréducteurs des dispositifs d'essuyage. En particulier, le moteur électrique comprend un rotor à aimants intégrés.
La figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un tel moteur électrique 1 comprenant un rotor 3 muni d'au moins deux paires de pôles, quatre dans le cas présent, réalisées par des aimants permanents 5. Le rotor 3 forme ainsi une alternance de pôles nord et pôles sud.
Le moteur électrique 1 comprend également un stator 7 présentant une pluralité de dents 9 autour desquelles sont enroulés des bobinages (non représentés) pour former des bobines d'excitation électromagnétique du rotor 3. Ces bobines forment les phases du moteur électrique 1 et leur alimentation permet la mise en rotation du rotor 3 par le biais des aimants permanents 5.
La figure 2 représente une vue en coupe radiale d'un exemple de réalisation d'un rotor 3 comprenant trois paires de pôles selon un premier mode de réalisation de la présente invention.
Le rotor 3 comprend un corps 11 de forme générale cylindrique et destiné à être monté rotatif autour d'un axe de rotation X. Le corps 11 comprend une partie centrale cylindrique 11a pouvant être montée sur des paliers comprenant par exemple des roulements pour assurer le montage en rotation du rotor 3 et une pluralité de sections 11b s'étendant radialement depuis la partie centrale cylindrique 11a. Les sections 11b peuvent venir de matière avec la partie centrale cylindrique 11a. Les sections 11b présentent une forme évasée vers la périphérie du rotor 3. Les sections 11b sont séparées par des espaces formant des logements 11c dans lesquels sont positionnés les aimants permanents 5, au nombre de six dans le cas présent (moteur 6 pôles), qui sont donc intégrés dans le corps 11 du rotor 3. On parle d'un rotor 3 à aimants intégrés. Les sections 11b sont réalisées en matériau ferromagnétique de manière à guider le flux magnétique généré par les aimants permanents 5. De plus, les sections 11b peuvent comprendre des appendices périphériques 110 s'étendant dans une direction circonférentielle et permettant notamment la retenue des aimants permanents 5 adjacents.
Par ailleurs, le rotor 3 présente au moins un premier et un deuxième type de sections ayant des géométries différentes. La géométrie d'une section 11b correspond notamment à l'angle couvert par cette section au niveau de la périphérie de la section. L'interaction entre les bobines du stator 7 et le rotor 3 va dépendre de cet angle.
Dans le cas de la figure 2, le rotor 3 comprend un premier type de sections 11b notées Si dépourvues d'appendices périphériques 110 et correspondant à la première géométrie et un deuxième type de section 11b notées S2 comprenant des appendices périphériques 110 s'étendant de part et d'autre de la section S2 et correspondant à la deuxième géométrie. Les sections 11b du premier type Si et du deuxième type S2 sont réparties en alternance. Les sections Si du premier type couvrent un angle al compris entre 35 et 450 tandis que les sections S2 du deuxième type couvrent un angle a 2 compris entre 55 et 65° par exemple. Cependant, l'angle couvert par les sections 11b du premier type Si et du deuxième type S2 ne se limite pas à ces valeurs et on peut imaginer des premières sections Si avec un angle plus petit, l'angle des deuxièmes sections S2 étant différent de l'angle des premières sections Si. Pour modifier l'angle des deuxièmes sections S2, il suffit de modifier la longueur des appendices périphériques no. Dans le cas présent, seuls les appendices diffèrent entre les géométries des sections nb du premier type Si et du deuxième type S2 mais il est également possible que l'angle couvert par la partie centrale (partie située entre les appendices no) des sections des différents types diffère d'un type de section à l'autre.
L'utilisation d'un rotor 3 comprenant des premières sections associées à une première géométrie couvrant un premier angle et des deuxièmes sections associées à une deuxième géométrie couvrant un deuxième angle permet d'obtenir des sections couvrant des angles électriques différents de sorte que l'application de signaux de commande sous forme de créneaux au niveau des bobines du stator 7 permet d'obtenir une force électromotrice selon une forme en escalier (correspondant à la somme des créneaux de longueur différente) s'approchant d'une forme sinusoïdale qui permet d'obtenir un fonctionnement plus « doux » et donc un niveau sonore plus faible du moteur électrique 1. De plus, le couple généré à faible vitesse de rotation est plus important et le couple réluctant est réduit. La figure 6 représente un exemple des forces électromotrices Fi et F2 obtenues respectivement avec les sections Si et S2 de la figure 2 lors de leur interaction avec les phases du stator 7. La largeur des impulsions est proportionnelle à l'angle ai ou a2 couvert par les sections Si ou S2. La figure 7 représente la force électromotrice globale F du moteur électrique 1 correspondant donc à la somme des forces électromotrices Fi et F2. Cette force électromotrice globale F présente une forme en escalier qui tend à se rapprocher d'une forme sinusoïdale si on augmente le nombre de sections différentes.
La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation comprenant des premières sections Si', des deuxièmes sections S2' et des troisièmes sections S3', les différentes sections ayant des géométries différentes. Les premières sections Si' sont dépourvues d'appendices périphériques 110 et couvrent un premier angle a'i compris entre 350 et 450 tandis que les deuxièmes sections S2' comprennent deux appendices 110 qui s'étendent selon une direction circonférentielle d'un côté et de l'autre de la section et couvrent un deuxième angle a'2 compris entre 50 et 6o°. Les troisièmes sections S3' comprennent un seul appendice périphérique et couvrent un troisième angle a'3 compris entre 40 et 50°. Les troisièmes sections S3' présentent donc une géométrie dissymétrique. Les sections 11b identiques sont disposées de manière diamétralement opposées et les sections 11b de différentes géométries sont réparties en alternance autour de la partie centrale cylindrique 11a. Les troisièmes sections S3, qui sont asymétriques, sont disposées de manière à être symétriques l'une par rapport à l'autre par rapport à l'axe de rotation du rotor 3. Sur la figure, l'appendice 110 des troisième sections S3' est dirigé vers le côté adjacent aux sections S2' mais alternativement, elles peuvent également s'étendre dans la direction opposée (vers le côté adjacent aux sections Si').
Par ailleurs, lorsqu'il n'y a pas d'appendice périphérique en regard d'un aimant permanent 5, l'aimant permanent 5 peut être fixé au corps 11 du rotor 3 par un autre moyen, par exemple par collage ou par tout autre moyen de fixation connu de l'homme du métier. On peut aussi utiliser des appendices 110 de longueur réduite permettant de maintenir les aimants permanents 5 sans augmenter sensiblement l'angle couvert par la section 11b.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation comprenant des premières sections Si dépourvues d'appendices périphériques 110 et couvrant un angle a'i compris entre 350 et 450, des deuxièmes sections S2 comprenant un seul appendice périphérique et couvrant un angle a2 compris entre 40° et 50° et des troisièmes sections S3 comprenant un seul appendice périphérique 110 et couvrant le même angle a2 que les deuxièmes sections S2.
Ce mode de réalisation diffère du deuxième mode de réalisation en ce que les deuxièmes sections S2 comprennent un seul appendice 110 situé du côté adjacent aux sections S3.
La figure 5 représente un quatrième mode de réalisation comprenant des premières sections Si' dépourvues d'appendices périphériques 110 et couvrant un angle a'i compris entre 350 et 450, des deuxièmes sections S2' comprenant un seul appendice périphérique 110 et couvrant un angle a'2 compris entre 40° et 50° et des troisièmes sections S3' comprenant un seul appendice périphérique 110 et couvrant le même angle a'2 que les deuxièmes sections S2'.
Ce mode de réalisation diffère du troisième mode de réalisation en ce que l'appendice 110 des deuxièmes sections S2' et des troisièmes sections S3' est situé du côté adjacent aux sections Si'.
Comme pour le premier mode de réalisation, la présence de sections de géométries différentes pour les deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation permet d'obtenir des sections 11b couvrant des angles électriques différents de sorte que l'application de signaux de commande sous forme de créneaux au niveau des bobines du stator 7 permet d'obtenir une force électromotrice selon une forme en escalier (correspondant à la somme des créneaux de longueur différente, la forme de l'escalier variant d'un mode de réalisation à un autre) s'approchant d'une forme sinusoïdale qui permet d'obtenir un fonctionnement plus « doux » et donc un niveau sonore plus faible du moteur électrique 1. La figure 8 représente un exemple des forces électromotrices F'i, F'2 et F'3 obtenues respectivement avec les sections S'i, S'2 et S'3 de la figure 3 lors de leur interaction avec les phases du stator 7. La largeur des impulsions est proportionnelle à l'angle a'i, a'2 ou a'3 couvert par les sections S'i, S'2 ou S'3. La figure 9 représente la force électromotrice globale F' du moteur électrique 1 correspondant donc à la somme des forces électromotrices F'i, F'2 et F'3. Cette force électromotrice globale F' présente une forme en escalier qui tend à se rapprocher d'une forme sinusoïdale.
La présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits mais s'étend à des modes de réalisation comprenant un nombre de sections 11b différent et un nombre de géométries de sections 11b différentes supérieur à trois. De plus, le nombre de paires de pôles du stator 7 peut également être différent de trois ou quatre.
De plus, dans les modes de réalisation décrits, les parties centrales des sections 11b ont été représentées de manière pleine mais il est également possible de ménager des orifices au centre des sections 11b de manière à réduire l'inductance des pôles. Ces orifices centraux ont par exemple une forme allongée selon une direction longitudinale et sont traversant selon la direction axiale.
Par ailleurs, il est également possible d'utiliser un rotor 3 tel que décrit précédemment avec un stator 7 dont les dents 9 autour desquelles sont enroulées présentent des géométries différentes (ayant des appendices de retenue des spires de longueur différente) conduisant également à des signaux de commande en forme de créneaux de largeur différente et conduisant à une force électromotrice sous forme d'escalier. Ainsi, la combinaison de dents du stator 7 de géométries différentes et de sections Si...S3' du rotor 3 de géométrie différente permet de multiplier le nombre de signaux en créneaux de largeur différente dont la somme conduit à un signal de commande en escalier comprenant un nombre de marche plus important et donc plus proche d'un signal sinusoïdal.
Le rotor 3 peut par exemple être constitué d’un empilage de tôles identiques de faible épaisseur, par exemple d’environ 1 mm chacune. Dans ce cas, il est alors possible de tourner chaque tôle par rapport à une autre d’un angle de 360° divisé par le nombre de pôles du rotor (il convient préférablement de maintenir une certaine symétrie du rotor pour éviter un déséquilibrage mécanique). Une telle modification permet de réduire davantage le couple réluctant.
Par exemple, en référence à la figure 2, la première section Si d’une tôle considérée viendrait à la place de la deuxième section S2 d’une autre tôle, ce qui revient à créer un décalage angulaire entre ces deux tôles.
Ainsi, pour un paquet de tôles donné formant le rotor, et pour maintenir l’équilibrage mécanique du rotor, on pourrait envisager de tourner la moitié du paquet de tôles par rapport à l’autre moitié du paquet de tôles. On pourrait encore diviser le paquet de tôles en trois ou quatre sous-paquets de telle sorte que chaque sous-paquet soit décalé angulairement par rapport à un autre sous-paquet, de telle sorte que l’équilibrage mécanique du moteur soit préservé.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Rotor (3) à aimants intégrés pour moteur électrique (1) à courant continu sans balai comprenant :- une pluralité d'aimants permanents (5),- un corps (11), de forme générale cylindrique, destiné à être monté rotatif autour d'un axe de rotation X et comprenant une partie centrale cylindrique (11a) et une pluralité de sections (11b) en matériau ferromagnétique configurées pour guider un flux magnétique, lesdites sections (11b) s'étendant radialement à partir de la partie centrale jusqu'à une portion périphérique, lesdites sections (11b) étant séparées par une pluralité de logements (11c), lesdits logements (11c) étant destinés à recevoir respectivement lesdits aimants permanents (5) de manière à former une alternance de pôles magnétiques nord et sud au niveau des différentes sections (11b), caractérisé en ce que le corps (11) comprend un premier type de section (Si) présentant une première géométrie et au moins un deuxième type de section (S2, S3) présentant une deuxième géométrie distincte de la première géométrie de manière à créer un champ magnétique dissymétrique autour du rotor (3).
- 2. Rotor (3) selon la revendication 1 dans lequel les différents types de section (Si, S2, S3) sont disposés en alternance sur la circonférence du corps.
- 3. Rotor (3) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la première géométrie diffère de la deuxième géométrie par une étendue angulaire différente des portions périphériques de la première section (Si) et de la deuxième section (S2, S3).
- 4. Rotor (3) selon la revendication 3 dans lequel au moins la première géométrie ou la deuxième géométrie comprend des appendices périphériques (110) s'étendant dans une direction circonférentielle et permettant la retenue des aimants permanents (5) adjacents et si les deux géométries présentent lesdits appendices (110), les appendices (110) de l'une des géométries sont plus longs que les appendices (110) de l'autre géométrie.
- 5. Rotor (3) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins l'une de la première géométrie ou de la deuxième géométrie comprend une portion périphérique qui s'étend dans une direction circonférentielle de manière dissymétrique vers l'un et l'autre des aimants permanents (5) adjacents.
- 6. Rotor (3) selon la revendication 5 dans lequel la première géométrie ou la deuxième géométrie comprend au moins un appendice périphérique (110) s'étendant dans une direction circonférentielle et permettant la retenue d'un aimant permanent (5) adjacent et si la géométrie comprend deux appendices, l'un des appendices est plus long que l'autre appendice.
- 7. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes comprenant six pôles et dans lequel le corps (11) comprend deux premières sections (Si), deux deuxièmes sections (S2) et deux troisièmes sections (S3) d'une troisième géométrie différente de la première et de la deuxième géométrie, les sections (11b) de même géométrie étant disposées de manière diamétralement opposées.
- 8. Rotor (3) selon l'une des revendications précédentes dans lequel les sections (11b) comprennent des orifices centraux qui s'étendent selon une direction longitudinale de manière à réduire l'inductance des pôles.
- 9. Moteur électrique (1) à courant continu sans balai comprenant un rotor (3) selon l'une des revendications précédentes.
- 10. Moteur électrique (1) selon la revendication 9 comprenant trois phases couvrant le même angle électrique et décalées de 120° électriques les unes des autres.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR1856027A FR3083384B1 (fr) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Moteur electrique a courant continu sans balai et rotor associe |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR1856027 | 2018-06-29 | ||
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Family
ID=63579413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3083384B1 (fr) |
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| DE19915664A1 (de) * | 1999-04-07 | 2000-10-19 | Siemens Ag | Elektrische Maschine mit einem Stator |
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| EP3229346A1 (fr) * | 2014-12-02 | 2017-10-11 | NSK Ltd. | Moteur, dispositif de direction assistée électrique et véhicule dans lesquels ledit moteur est installé |
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2018
- 2018-06-29 FR FR1856027A patent/FR3083384B1/fr active Active
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| FR3083384B1 (fr) | 2021-01-29 |
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