FR3086129A1 - Moteur electrique rotatif a rapport poids-puissance optimise - Google Patents

Moteur electrique rotatif a rapport poids-puissance optimise Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un moteur électrique rotatif (10) comportant: - un élément actif (11) comportant un noyau plongeur (12) ainsi qu'une première bobine (13.1) et une deuxième bobine (13.2) espacées axialement l'une par rapport à l'autre, et - un système bielle-manivelle (19), caractérisé en ce que, dans au moins une phase de fonctionnement, au moins une des bobines (13.1, 13.2) est configurée pour appliquer sur le noyau plongeur (12) une force de rappel élastique (F) en direction du point mort cible, ladite force de rappel élastique (F) présentant une intensité qui décroît à mesure que le noyau plongeur (12) se rapproche d'un point mort de vitesse auquel la vitesse du noyau plongeur est maximale ou minimale, - la force de rappel élastique (F) étant définie par un paramètre de raideur (k) variable de façon prédéterminée.

Description

MOTEUR ÉLECTRIQUE ROTATIF À RAPPORT POIDSPUISSANCE OPTIMISÉ
La présente invention porte sur un moteur électrique rotatif à rapport poids puissance optimisé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les véhicules volants notamment de type drone afin d'entraîner en rotation leurs hélices. En variante, elle pourrait toutefois être appliquée avec des moteurs de traction de véhicules automobiles.
Comme cela est illustré par les figures 1a à 1 d, un moteur électrique rotatif 1 peut comporter un noyau plongeur 2 réalisé dans un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique, ainsi qu'une première bobine 3.1 et une deuxième bobine 3.2 espacées axialement l'une par rapport à l'autre.
Le noyau plongeur 2 est mobile en translation entre une première position extrême située à -xmin, dite premier point mort de position ou point mort gauche PM-X, et une deuxième position extrême située à +xmax, dite deuxième point mort de position ou point mort droit PM+X.
On distingue également un premier point mort de vitesse PM+V correspondant à une vitesse de déplacement maximale +vmax du noyau plongeur 2 et un deuxième point mort de vitesse PM-V correspondant à une vitesse minimale -vmin du noyau plongeur 2.
Un système bielle-manivelle 4 est apte à transformer le mouvement de translation du noyau plongeur 2 en un mouvement de rotation. En l'occurrence, le sens de rotation du système 4 est anti-horaire et la position angulaire de référence est notée 0=0.
Lorsque le noyau plongeur 2 se déplace d'un point mort de position PM+X, PM-X vers un point mort de position opposé PM-X, PM+X, dit point mort cible, la bobine 3.1, 3.2 située du côté du point mort cible applique un effort magnétique d’attraction croissant jusqu’à un niveau maximal correspondant à la butée magnétique constituée par un entrefer minimal entre le noyau plongeur 2 et un noyau fixe du circuit magnétique. Les notations +, ++, +++ correspondent ainsi à l'accroissement de l'intensité de l'effort produit sur le noyau plongeur 2 et non à l'intensité du courant dans les bobines 3.1, 3.2.
Comme cela est illustré par les figures 1a à 1 d, après que le noyau plongeur 2 a été déplacé vers le point mort gauche PM-X, la bobine droite 3.2 attire de manière croissante le noyau plongeur 2 lors d'une phase de déplacement du noyau plongeur 2 du point mort gauche PM-X vers le point mort droit PM+X. Ensuite, de façon analogue, à partir du point mort droit PM+X vers le point mort gauche PM-X, la bobine gauche 3.1 attire de manière croissante le noyau plongeur 2 tandis qu'il se dirige vers le point mort gauche PM-X.
Toutefois, cette configuration de moteur électrique consomme beaucoup d'énergie et présente un rendement faible. La présente invention vise à améliorer les performances d'un tel moteur en optimisant notamment son rapport poids-puissance.
A cet effet, l'invention a pour objet un moteur électrique rotatif comportant:
- un élément actif comportant un noyau plongeur ainsi qu'une première bobine et une deuxième bobine espacées axialement l'une par rapport à l'autre,
- le noyau plongeur étant mobile en translation entre une première position extrême, dite premier point mort de position, et une deuxième position extrême, dite deuxième point mort de position, et
- un système bielle-manivelle apte à transformer le mouvement de translation du noyau plongeur en un mouvement de rotation, caractérisé en ce que, dans au moins une phase de fonctionnement suivant laquelle le noyau plongeur se déplace d'un point mort de position vers un point mort de position opposé, dit point mort cible,
- au moins une des bobines est configurée pour appliquer sur le noyau plongeur une force de rappel élastique en direction du point mort cible, ladite force de rappel élastique présentant une intensité qui décroît à mesure que le noyau plongeur se rapproche d'un point mort de vitesse auquel la vitesse du noyau plongeur est maximale ou minimale,
- la force de rappel élastique étant définie par un paramètre de raideur simulé variable de façon prédéterminée.
L'invention permet ainsi d'augmenter la vitesse de rotation du moteur électrique, pour un niveau visé, d’une manière particulièrement efficace en termes de raccourcissement du temps de réponse à travers une dynamique reposant sur la croissance exponentielle d’une amplitude de vitesse, cette vitesse variant de façon alternative.
L'invention procure également une efficacité élevée en termes énergétiques, dans la mesure où un faible apport d'énergie permet d'obtenir de grands effets, grâce à un mécanisme sous-jacent de cumul multiplicatif des apports énergétiques réalisés de façon cyclique, pilotés de façon appropriée, avec un effet similaire à celui d’une réaction en chaîne.
En particulier, l'invention fait cohabiter deux types d’énergie, à savoir l'énergie cinétique et l'énergie potentielle entre lesquels des échanges sont réalisés de manière non-dissipative.
L'invention permet d’exploiter, de manière nouvelle, certaines propriétés spécifiques aux oscillateurs mécaniques, précisément lorsqu’ils sont pilotés en amplification paramétrique en faisant passer un oscillateur de type masse-ressort considéré comme libre ou en système fermé à un régime forcé non pas en appliquant une force extérieure d’excitation, mais en considérant le système ouvert en ceci qu’on va dépenser un faible niveau d’énergie, par cycle, pour faire varier un des paramètres caractéristiques du système. L’intérêt de cette approche est de produire des conditions spécifiques d’instabilité suivant lesquelles une amplitude va croître de façon exponentielle en exp(+t/tau), et non en 1-expt(-t/tau) comme cela est le habituellement cas.
Selon une réalisation, ledit moteur électrique rotatif comporte un étage commandé monté entre les bobines et une batterie d'alimentation, cet étage commandé comportant au moins un condensateur pour échanger une énergie électrique avec les bobines.
Selon une réalisation, l'étage commandé est configuré de telle façon que:
- le au moins un condensateur ayant préalablement été chargé,
- une alimentation d'une bobine en un point mort de position s'effectue par décharge du condensateur dans la bobine, et
- qu'une coupure de courant en un point mort de vitesse correspondant à un passage à un minimum du paramètre de raideur simulé autorise une recharge du condensateur par une bobine,
- de sorte qu'entre un point mort de vitesse et un point mort de position, on utilise le temps disponible pendant lequel un courant dans les bobines est le plus faible, pour effectuer une recharge du condensateur.
Selon une réalisation, la variation du paramètre de raideur est périodique en fonction d'une position angulaire d'une manivelle du système bielle-manivelle.
Selon une réalisation, pour un tour complet du système bielle-manivelle, il existe deux périodes de la variation du paramètre de raideur en fonction de la position angulaire de la manivelle.
Selon une réalisation, le paramètre de raideur oscille autour d'une valeur moyenne.
Selon une réalisation, le paramètre de raideur devient supérieur à la valeur moyenne aux points morts de position, et le paramètre de raideur k devient inférieur à la valeur moyenne à des points morts de vitesse pour lesquels la vitesse du noyau plongeur est respectivement maximale et minimale.
Selon une réalisation, le paramètre de raideur oscille de façon sinusoïdale.
Selon une réalisation, le paramètre de raideur oscille suivant un signal de type carré entre un niveau minimal et un niveau maximal constants.
Selon une réalisation, le niveau minimal vaut 0.
Selon une réalisation, la force de rappel élastique est appliquée par la bobine, dite d'activation, située du côté du point mort cible, en sorte que la force de rappel élastique correspond à une force d'attraction appliquée sur le noyau plongeur en direction de la bobine d'activation.
Selon une réalisation, le noyau plongeur intégrant au moins un élément aimanté de façon permanente, la force de rappel élastique est appliquée par la bobine, dite d'activation, située du côté opposé au point mort cible, en sorte que la force de rappel élastique correspond à une force de répulsion appliquée sur le noyau plongeur en direction opposée de la bobine d'activation.
Selon une réalisation, l'élément actif comporte un circuit magnétique formé par une culasse et deux noyaux fixes situés chacun à une extrémité de la culasse.
Selon une réalisation, un entrefer entre le noyau plongeur et un noyau fixe présente une forme tronconique.
Selon une réalisation, ledit moteur électrique rotatif comporte au moins un, de préférence au moins deux éléments actifs.
Selon une réalisation, ledit moteur électrique rotatif comporte trois éléments actifs, chaque élément actif étant espacé en phase et/ou géométriquement de 120 degrés de son voisin le plus proche.
Selon une réalisation, les éléments actifs sont reliés à un unique maneton d'un arbre.
Selon une réalisation, ledit moteur électrique rotatif est configuré pour présenter une phase de lancement visant à atteindre une vitesse cible, une phase d'embrayage consistant par exemple à incliner des pales d'une hélice pour générer une force de poussée, et une phase d'entretien d'un régime permanent via un apport complémentaire d'énergie systématique pour maintenir un point de fonctionnement du moteur.
L'invention a également pour objet un véhicule, notamment de type volant, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur électrique rotatif tel que précédemment défini.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
Les figures 1a à 1 d, déjà décrites, sont des représentations schématiques illustrant le déplacement d'un plongeur pour un moteur électrique rotatif selon l'état de la technique;
Les figures 2a à 2d sont des représentations schématiques illustrant le déplacement d'un plongeur pour un premier mode de réalisation d'un moteur électrique rotatif selon la présente invention;
Les figures 3a à 3d sont des représentations schématiques illustrant le déplacement d'un plongeur pour un deuxième mode de réalisation d'un moteur électrique rotatif selon la présente invention;
La figure 4 montre des représentations graphiques de l'évolution de la position et de la vitesse d'un noyau plongeur en fonction d'une position angulaire du moteur électrique rotatif selon l'invention;
La figure 5 est une représentation graphique de la vitesse de rotation du moteur électrique selon l'invention en fonction du temps;
Les figures 6a et 6b sont des représentations graphiques respectivement de la position et de la vitesse du noyau plongeur pour un système ayant un paramètre de raideur constant;
Les figures 7a et 7b sont respectivement des représentations graphiques de la position et de la vitesse du noyau plongeur pour un système ayant un paramètre de raideur variable de façon prédéterminée;
La figure 8 est une représentation graphique illustrant l'évolution, en fonction d'un angle de la manivelle du moteur, du paramètre de raideur permettant d'obtenir une amplification paramétrique de la vitesse de rotation du moteur électrique selon l'invention;
La figure 9 est une représentation schématique montrant la relation entre les dispositifs magnétique et mécanique, ainsi qu'avec le circuit d'alimentation électrique du moteur rotatif selon l'invention;
La figure 10 est une représentation schématique d'un étage électrique commandé du moteur rotatif selon l'invention;
La figure 11 montre, pour un noyau plongeur aimanté de manière permanente, des chronogrammes en régime établi, de l'évolution des courants dans les bobines, de la tension aux bornes du condensateur, et de la position et de la vitesse du noyau plongeur;
La figure 12 montre, pour un noyau plongeur ferromagnétique ou ferrimagnétique sans aimant permanent, des chronogrammes en régime établi, de l'évolution des courants dans les bobines, de la tension aux bornes du condensateur, et de la position et de la vitesse du noyau plongeur;
Les figures 13a à 13e montrent le détail des différentes phases de fonctionnement de l'étage électrique commandé composant les diagrammes des figures 11 et 12;
La figure 14a est une représentation schématique de l'entrefer de forme tronconique entre le noyau plongeur et un noyau fixe d'extrémité d'un élément actif selon l'invention;
Les figures 14b et 14c sont des représentations graphiques de l'effort d'attraction appliqué sur le noyau plongeur en fonction de la distance d'entrefer respectivement pour un entrefer plat et un entrefer tronconique selon l'invention;
La figure 15 est une vue de face d'un moteur électrique rotatif selon l'invention muni de cinq éléments actifs disposés suivant une configuration en étoile;
La figure 16 montre les courbes de positions normalisées des plongeurs en fonction de l'angle de rotation de l'arbre pour une configuration en étoile à trois éléments actifs.
Sur les figures 2 à 16, les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre. Dans la suite de la description, les points morts de position pourront être désignés PM-X, PM+X ou PMX pour désigner l'un ou l'autre. Les points morts de vitesse pourront être désignés PM-V, PM+V ou PMV pour désigner l'un ou l'autre.
Les figures 2a à 2d montrent un moteur électrique rotatif 10 comportant un élément actif 11 muni d'un noyau plongeur 12 réalisé en matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique, ainsi qu'une première bobine 13.1 et une deuxième bobine 13.2 espacées axialement l'une par rapport à l'autre.
Le noyau plongeur 12 est mobile en translation entre une première position extrême située à -xmin, dite premier point mort de position ou point mort gauche PM-X, et une deuxième position extrême située à +xmax, dite deuxième point mort de position ou point mort droit PM+X. Les points morts PM-X et PM+X sont équidistantes par rapport à une position de référence noté X=x0=0.
En outre, un circuit magnétique 15 est formé par une culasse 16 dans laquelle coulisse le noyau plongeur 12 et deux noyaux fixes 17.1, 17.2 situés chacun à une extrémité de la culasse 16.
Un système bielle-manivelle 19 est apte à transformer le mouvement de translation du noyau plongeur 12 en un mouvement de rotation. A cet effet, la bielle 20 du système 19 est montée rotative d'un part avec un axe du noyau plongeur 12 via une de ses extrémités et d'autre part avec la manivelle 21 via son autre extrémité. La manivelle 21 est solidaire en rotation d'un arbre 22.
Le mouvement rotatif de la manivelle 21 et donc du moteur électrique 10 est défini par un angle compris entre 0 et 360 degrés, modulo 360 degrés. Par convention, on pose 0= 0° pour X=+xmax, et 0=180° pour X=-xmin. Dans l'exemple représenté, le sens de rotation est anti-horaire mais il pourrait bien entendu être inversé. Cela dépend de l'application.
On distingue également un premier point mort de vitesse PM+V correspondant à une vitesse maximale +vmax de déplacement du noyau plongeur 12 et un deuxième point mort de vitesse PM-V correspondant à une vitesse minimale -vmin de déplacement du noyau plongeur 12. Ces points morts de vitesse PM+V, PM-V sont observables à la position de référence X=x0=0.
La figure 4 montre la relation entre la position X et la vitesse V pour un mouvement oscillant du noyau plongeur 12 et de la manivelle 21 correspondante, en fonction d'un angle θ de la manivelle 21. La figure 4 indique des unités normalisées de -1 à 1 correspondant à une valeur minimale et une valeur maximale de position ou de vitesse.
On décrit ci-après en référence avec les figures 2a-2d, 3a-3d, et 5 le principe de fonctionnement d'un élément actif 11 du moteur électrique 10.
Lors d'une phase d'amorçage P1 (cf. figure 5), on pilote la montée en vitesse du noyau plongeur 12 afin d'atteindre une condition initiale non-nulle de vitesse. Pour atteindre cette condition initiale de vitesse non-nulle, la bobine
13.1, 13.2 qui va être activée à l'issue de cette phase est alimentée pour générer un niveau de force inférieur à celui de l’autre bobine 13.1, 13.2 qui est alimentée simultanément, seulement dans cette phase préalable, afin de positionner le noyau plongeur 12 à un point mort de position.
Une fois que le noyau plongeur 12 aura été amené en un point mort de position PM+X, PM-X, on entre dans une phase de fonctionnement P2 suivant laquelle le noyau plongeur 12 se déplace de ce point mort de position vers le point mort de position opposé, dit point mort cible, et vice versa. A cet effet, une bobine 13.1, 13.2 applique sur le noyau plongeur 12 une force de rappel élastique F en direction du point mort cible, ladite force de rappel F présentant une intensité qui décroît à mesure que le noyau plongeur 12 se rapproche d'un point mort de vitesse PM+V, PM-V auquel la vitesse du noyau plongeur 12 est maximale ou minimale.
Dans le mode de réalisation des figures 2a à 2d, afin de déplacer le noyau plongeur 12 du point mort gauche PM-X vers le point mort droit PM+X, la bobine droite 13.2 attire de manière décroissante le noyau plongeur 12 depuis son départ du point mort gauche PM-X jusqu'au point mort de vitesse PM+V. La bobine droite 13.2 attire ensuite de manière décroissante à un niveau plus faible, éventuellement nul, le noyau plongeur 12 depuis le point mort de vitesse PM+V jusqu'au point mort droit PM+X.
Puis, à partir du point mort droit PM+X vers le point mort gauche PM-X, la bobine gauche 13.1 attire de manière décroissante le noyau plongeur 12 tandis qu'il se dirige vers le point mort gauche PM-X.
Ainsi, dans ce cas, la force de rappel élastique F est appliquée par la bobine
13.1, 13.2, dite d'activation, située du côté du point mort cible, en sorte que la force de rappel élastique F correspond à une force d'attraction appliquée sur le noyau plongeur 12 en direction de la bobine d'activation.
Alternativement, dans le mode de réalisation des figures 3a à 3d, le noyau plongeur 12 intègre au moins un élément aimanté 25, en particulier un aimant permanent, générant un champ magnétique suivant une direction de déplacement du noyau plongeur 12, c’est-à-dire suivant un axe de l'élément actif 11.
Dans ce cas, afin de déplacer le noyau plongeur 12 du point mort gauche PM-X vers le point mort droit PM+X, la bobine gauche 13.1 repousse de manière décroissante le noyau plongeur 12 depuis son départ du point mort gauche PM-X jusqu'au point mort de vitesse PM+V.
La bobine gauche 13.1 repousse de manière décroissante à un niveau plus faible, éventuellement nul, le noyau plongeur 12 depuis le point mort de vitesse PM+V jusqu'au point mort droit PM+X.
Puis, à partir du point mort droit PM+X vers le point mort gauche PM-X, la bobine droite 13.2 repousse de manière décroissante le noyau plongeur 12 tandis qu'il se dirige vers la gauche.
Ainsi, la force de rappel élastique F est appliquée par la bobine 13.1, 13.2, dite d'activation, située du côté opposé au point mort cible, en sorte que la force de rappel élastique F correspond à une force de répulsion appliquée sur le noyau plongeur 12 en direction opposée de la bobine d'activation.
L'invention est basée sur le fait que l'on considère le système comme un système oscillant de type masse-ressort caractérisé par une pulsation propre ω0 2 = k/m, avec k étant le paramètre de raideur simulé par une bobine qui définit la force de rappel élastique F valant k.(x-xO), avec x0=0, et m étant la masse du noyau plongeur 12. En effet, un tel système est caractérisé par l'équation différentielle suivante:
d2Y/dt2 + ω0 2.Υ = 0 ayant comme solution Y(t) = Yo.cos(cüo.t + Φ),
- Y étant ici la vitesse,
- Yo étant l'amplitude de la vitesse,
- ω0 étant la pulsation propre, et
- Φ étant le déphasage.
Dans un cas classique où k est constant en sorte que la pulsation ω0 est également constante, l'amplitude Yo du signal ondulatoire de vitesse est constante, tel que cela est illustré par les figures 6a et 6b.
Dans l'invention, en faisant varier de façon prédéterminée le paramètre de raideur k, l’amplitude de la vitesse Yo du noyau plongeur 12 croît de façon exponentielle, comme cela est visible sur les figures 7a, 7b de sorte que la vitesse de consigne Vcons peut être atteinte plus rapidement pour la même énergie dépensée dans le but de l'atteindre.
Avantageusement, la variation du paramètre de raideur k et donc la pulsation propre ω0 correspondante est périodique en fonction de la position angulaire Θ de la manivelle 21, tel que montré sur la figure 8. En l'occurrence, pour un tour complet du système bielle-manivelle 19, il existe deux périodes de la variation du paramètre de raideur en fonction de la position angulaire de la manivelle.
Le paramètre de raideur k oscille de façon sinusoïdale autour d'une valeur moyenne kmoy. Le paramètre de raideur k devient supérieur à la valeur moyenne kmoy aux points morts de position PM+X, PM-X (où v = 0), et k devient inférieur à kmoy aux points morts de vitesse PM+V, PM-V (où x=0). On observe un passage par 0 du paramètre k aux quatre points morts par tour (les deux points morts de position PM-X, PM+X et les deux points morts de vitesse PM+V, PM-V). La valeur moyenne de 0.5 ainsi que les valeurs minimale kmin et maximale kmax de la figure 8 sont données uniquement à titre illustratif et pourront être adaptées en fonction du besoin.
En variante, le paramètre de raideur k pourra osciller suivant un signal de type carré entre un niveau minimal kmin et un niveau maximal kmax constants, tel que montré par la courbe k' sur la figure 8.
Comme on peut le voir sur la figure 9, un étage électrique commandé 30 est monté entre les bobines 13.1, 13.2 et une batterie d'alimentation 31 associée à un interrupteur Kc. Cet étage commandé 30 comporte au moins un condensateur C, des interrupteurs de puissance, et des diodes. Les deux bobines 13.1, 13.2 pourront être connectées soit chacune à un condensateur, soit à un condensateur commun C.
La charge préalable du ou des condensateurs C constitue un apport d'énergie à fournir au système. Ce condensateur C se charge et se décharge à fréquence double par rapport à celle du déplacement, de sorte que l'apport d'énergie augmente à chaque cycle sans avoir à fournir la totalité d'énergie requise à chaque cycle, à la façon d'une amplification paramétrique.
L'alimentation de chaque bobine 13.1, 13.2 en un point mort de position PMX s'effectue par décharge du condensateur C, avec une constante de temps très courte (un quart de période du circuit LC correspondant) devant une constante de temps mécanique de l'élément actif.
Lors d'une coupure de courant en un point mort de vitesse PMV correspondant à un passage à un minimum du paramètre de raideur simulé (kmini=0), on effectue une recharge du condensateur C par une bobine 13.1,
13.2. Cette énergie récupérée est inférieure à celle apportée du fait de la conversion en travail mécanique. En outre, l'énergie cinétique acquise se retranche de l'apport énergétique précédent.
Lors du point mort de position PMX suivant, le condensateur C se décharge de nouveau dans l'autre bobine 13.1, 13.2 concernée parmi les deux, pour passer à un paramètre de raideur k maximal, renvoyer le noyau plongeur 12 vers le point mort de position suivant, etc.., le tout de manière périodique.
Entre un point mort de vitesse PMV et un point mort de position PMX, on utilise le temps disponible au moment où le courant dans les bobines 13.1, 13.2 est nul dans le cas où la variation du paramètre k s'effectue en créneau, ou plus généralement le plus faible, pour effectuer une recharge complémentaire du condensateur (en 1/2.CLI2). Cette recharge correspond uniquement à un complément énergétique par rapport à l'énergie déjà présente dans le système.
Plus précisément, la figure 10 montre un exemple de réalisation d'un étage commandé 30 permettant de gérer l'énergie issue de la batterie 31 ayant une tension d'alimentation +Bat. Cet étage commandé 30 comporte un condensateur C pour échanger une énergie électrique avec les bobines 13.1,
13.2. L'étage commandé 30 comporte également des interrupteurs commandés Kin1, Kin2, Koutl, Kout2, des diodes Din1, Din2, Doutl, Dout2, ainsi que deux diodes dites de roue libre DRL1 et DRL2.
La figure 11 montre, pour un noyau plongeur 12 aimanté de manière permanente, des chronogrammes temporels en régime établi, de l'évolution du courant il dans la bobine 13.1, du courant i2 dans la bobine 13.2, de la tension lie aux bornes du condensateur C, de la position X et de la vitesse V du noyau plongeur 12. Le condensateur C aura été préalablement chargé.
On observe que pour une période du signal de position X, de vitesse V, et des courants dans les bobines il et i2, on a deux périodes du signal de tension lie et du paramètre de raideur k correspondant.
La figure 12 montre, pour un noyau plongeur 12 ferromagnétique ou ferrimagnétique sans aimant permanent, des chronogrammes temporels en régime établi, de l'évolution du courant il dans la bobine 13.1, du courant i2 dans la bobine 13.2, de la tension lie aux bornes du condensateur C, de la position X et de la vitesse V du noyau plongeur 12. Le condensateur C aura été préalablement chargé.
On observe encore que pour une période du signal de position X, de vitesse V, des courants il et i2, on a deux périodes du signal de tension lie et du paramètre de raideur k correspondant.
existe un déphasage de 180 degrés pour les signaux de position X et de vitesse V par rapport aux signaux obtenus avec le système à noyau plongeur aimanté de façon permanente.
Les figures 13a à 13e montrent le détail des différentes phases de fonctionnement a1, b1, c1, d1 - a2, b2, c2, d2 de l'étage commandé 30 composant les diagrammes des figures 11 et 12 et visant à simuler le paramètre de raideur k par des moyens magnétiques.
Lors de la phase a1 montrée sur la figure 13a, lorsque le noyau plongeur 12 se trouve en un point mort de position PMX, la bobine 13.1 est alimentée par décharge du condensateur C. On a alors un régime transitoire L1C sur un quart de période (90° électriques), de sorte que la pulsation ω au carré vaut: ω2 = 1/(L1.C), L1 étant l'inductance de la bobine 13.1, en particulier le niveau atteint pendant la courte phase d'échange avec le condensateur C.
L'énergie du condensateur C chargé au maximum en 1/2.CUc2 est transférée vers la bobine 13.1 suivant une énergie en 1 /2.L1.(il )2, L1 étant l'inductance de la bobine 13.1.
Lors de la phase b1 montrée sur la figure 13b, la bobine 13.1 est activée, de sorte que le noyau plongeur 12 se déplace depuis un point mort de position PMX vers un point mort de vitesse PMV. On observe alors un régime transitoire sur la diode de roue libre RL1 avec évolution à la baisse du courant il en raison de la chute de tension R1.i1, R1 étant la résistance de la bobine 13.1.
L'énergie de la bobine 13.1 en 1/2.L1.I2 est alors transférée partiellement en énergie cinétique en 1/2.m.v2 par effet de la force de rappel F= k.(x-xO) générée électro-magnétiquement.
Lors de la phase c1 montrée sur la figure 13c, le paramètre de raideur k passe à zéro. Le noyau plongeur 12 étant en un point mort de vitesse PMV, on recharge le condensateur C par désactivation de la bobine 13.1. On a alors un régime transitoire L1.C sur un quart de période (90° électriques) dont la pulsation ω au carré vaut ω2 = 1/(L1 .C), L1 étant évalué à l'instant du point mort de vitesse PMV. On récupère au condensateur C, de l'énergie magnétique transmise par la bobine en 1/2.L1.I2 en tant que surplus résiduel après avoir fourni au noyau plongeur 12 du travail mécanique (aux pertes près).
Lors de la phase d1 montrée sur la figure 13d, on effectue un apport énergétique externe par la batterie 31 afin de compléter, par recharge, la charge du condensateur C. Cette phase d1 se produit lorsque le plongeur se situe entre un point mort de vitesse PMV et un point mort de position PMX.
Les bobines 13.1 et 13.2 étant inactives, le paramètre de raideur simulé k simulé passe à 0.
Comme on peut le voir sur la figure 13e, les phases a2, b2, c2, d2 sont analogues pour la bobine 13.2 à celles a1, b1, c1, d1 qui ont été détaillées cidessus pour la bobine 13.1.
Pendant les phases a2, b2, c2, d2, la phase d1 bis d'inactivité de la bobine 13.1 se prolonge, alors que la phase d2bis d'inactivité de la bobine 13.2 est observable pendant les phases précédentes a1, b1, c1, et d1.
Le condensateur C et la batterie 31 sont gérés vis-à-vis de la bobine 13.2 de la même façon que vis-à-vis de la bobine 13.1.
Sur les figures 2a-2d et 3a-3d, l’entrefer E entre le noyau plongeur 12 et chaque noyau fixe 17.1, 17.2 a été représenté schématiquement de forme plate. Toutefois, avec un tel entrefer E, l'électro-aimant constitué par la bobine 13.1, 13.2 et le noyau plongeur 12 développe une force magnétique d’attraction F' qui augmente très rapidement à l’approche de la position à entrefer E minimal quasi-nul correspondant à une position de point mort de position, tel que montré sur la figure 14b. Cela rend le contrôle du moteur électrique plus complexe que si la force d'attraction F' était relativement constante.
Afin de remédier à cela, on pourra prévoir avantageusement un entrefer E de forme tronconique de chaque côté du noyau plongeur 12 formé, selon un mode de réalisation, par une extrémité pleine du noyau plongeur 12 de forme tronconique et un noyau fixe 17.1, 17.2 de forme tronconique complémentaire, tel que montré sur la figure 14a. En variante, la structure est inversée, c’est-à-dire que l'extrémité du noyau plongeur 12 présente une forme tronconique creuse et le noyau fixe 17.1, 17.2 présente une forme tronconique pleine complémentaire.
Une telle configuration d'entrefer E permet d'obtenir une relation forceentrefer sensiblement constante sur une plage donnée, tel que cela est représenté sur la figure 14c. Autrement dit, la courbe est sensiblement plate sur une large plage de variation de la position du noyau plongeur 12. Ainsi, il est plus aisé de contrôler le niveau de force par le courant piloté par un réglage de la tension, en fonction de la position du dispositif.
Les courbes C1, C2, et C3 ayant été obtenues respectivement pour un petit angle, un grand angle, et un angle intermédiaire a de la forme tronconique, on choisira de préférence un petit angle a par exemple compris entre 10 et 20 degrés afin de disposer d'une grande plage constante facilitant le pilotage du moteur électrique 10.
Avantageusement, le moteur électrique 10 comporte au moins un, de préférence au moins deux éléments actifs 11. Dans l'exemple de la figure 15, le moteur électrique 10 comporte cinq éléments actifs 11 assemblés suivant une configuration en étoile dans laquelle les éléments actifs 11 sont espacés en phase et/ou géométriquement entre eux de façon régulière.
L'avantage d'une telle configuration est que les éléments actifs 11 peuvent être reliés à un unique maneton 28 de l'arbre de rotation 22.
Dans le cas d'une structure de type aéronautique munie d'une hélice entraînée par l'arbre 22, le refroidissement par convection des éléments actifs 11 est facilité par le flux d'air généré par l'hélice située devant l'ensemble des éléments actifs 11.
La figure 16 illustre un déphasage angulaire de 120 degrés entre trois éléments actifs 11 disposés suivant une configuration en étoile. Les courbes CT, C2', et C3' représentent les positions normalisées des noyaux plongeurs 12 en fonction de l'angle de rotation de l'arbre 22.
Autrement dit, chaque élément actif 11 est espacé en phase et/ou géométriquement de 120 degrés de son voisin le plus proche. Plus généralement, pour N éléments actifs 11 utilisés, le déphasage angulaire et/ou géométrique entre deux éléments actifs 11 voisins est de 360 degrés divisés par N.
En variante, les éléments actifs 11 du moteur pourront être disposés suivant une configuration en ligne, à la façon des cylindres d'un moteur thermique, mais cela nécessite de prévoir un maneton 28 et un palier par élément actif 11.
Un ou plusieurs moteurs électriques 10 selon l'invention pourront équiper des véhicules de type volant, par exemple des drones, ou des véhicules automobiles. Le moteur 10 est configuré pour présenter une phase de lancement visant à atteindre une vitesse cible de façon exponentielle (cf.
phases P1 et P2 sur la figure 5), une phase d'embrayage consistant par exemple à incliner des pales d'une hélice pour générer une force de poussée (cf. phase P3 sur la figure 5), et une phase d'entretien d'un régime permanent via un apport complémentaire d'énergie systématique pour maintenir un point de fonctionnement du moteur (cf. phase P4 ίο sur la figure 5).
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de 15 réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS
    1. Moteur électrique rotatif (10) comportant:
    - un élément actif (11 ) comportant un noyau plongeur (12) ainsi qu'une première bobine (13.1) et une deuxième bobine (13.2) espacées axialement l'une par rapport à l'autre,
    - le noyau plongeur (12) étant mobile en translation entre une première position extrême, dite premier point mort de position (PM-X), et une deuxième position extrême, dite deuxième point mort de position (PM+X), et
    - un système bielle-manivelle (19) apte à transformer le mouvement de translation du noyau plongeur (12) en un mouvement de rotation, caractérisé en ce que, dans au moins une phase de fonctionnement suivant laquelle le noyau plongeur (12) se déplace d'un point mort de position vers un point mort de position opposé, dit point mort cible,
    - au moins une des bobines (13.1, 13.2) est configurée pour appliquer sur le noyau plongeur (12) une force de rappel élastique (F) en direction du point mort cible, ladite force de rappel élastique (F) présentant une intensité qui décroît à mesure que le noyau plongeur (12) se rapproche d'un point mort de vitesse (PM+V, PM-V) auquel la vitesse du noyau plongeur (12) est maximale ou minimale,
    - la force de rappel élastique (F) étant définie par un paramètre de raideur (k) simulé variable de façon prédéterminée.
  2. 2. Moteur électrique rotatif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un étage commandé (30) monté entre les bobines (13.1, 13.2) et une batterie d'alimentation (31), cet étage commandé (30) comportant au moins un condensateur (C) pour échanger une énergie électrique avec les bobines (13.1, 13.2).
  3. 3. Moteur électrique rotatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage commandé (30) est configuré de telle façon que:
    le au moins un condensateur (C) ayant préalablement été chargé,
    - une alimentation d'une bobine (13.1, 13.2) en un point mort de position (PMX) s'effectue par décharge du condensateur (C) dans la bobine (13.1, 13.2), et
    - qu'une coupure de courant en un point mort de vitesse (PMV) correspondant à un passage à un minimum du paramètre de raideur simulé autorise une recharge du condensateur (C) par une bobine,
    - de sorte qu'entre un point mort de vitesse (PMV) et un point mort de position (PMX), on utilise le temps disponible pendant lequel un courant dans les bobines est le plus faible, pour effectuer une recharge du condensateur (C).
  4. 4. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la variation du paramètre de raideur (k) est périodique en fonction d'une position angulaire (Θ) d'une manivelle (21) du système bielle-manivelle (19).
  5. 5. Moteur électrique rotatif selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour un tour complet du système bielle-manivelle (19), il existe deux périodes de la variation du paramètre de raideur (k) en fonction de la position angulaire de la manivelle (21).
  6. 6. Moteur électrique rotatif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le paramètre de raideur (k) oscille autour d'une valeur moyenne (kmoy).
  7. 7. Moteur électrique rotatif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le paramètre de raideur (k) devient supérieur à la valeur moyenne (kmoy) aux points morts de position (PM-X, PM+X), et paramètre de raideur (k) devient inférieur à la valeur moyenne (kmoy) à des points morts de vitesse (PM+V, PM-V) pour lesquels la vitesse du noyau plongeur (12) est respectivement maximale et minimale.
  8. 8. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le paramètre de raideur (k) oscille de façon sinusoïdale.
  9. 9. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le paramètre de raideur (k) oscille suivant un signal de type carré entre un niveau minimal (kmin) et un niveau maximal (kmax) constants.
  10. 10. Moteur électrique rotatif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le niveau minimal (kmin) vaut 0.
  11. 11. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la force de rappel élastique (F) est appliquée par la bobine (13.1, 13.2), dite d'activation, située du côté du point mort cible, en sorte que la force de rappel élastique (F) correspond à une force d'attraction appliquée sur le noyau plongeur (12) en direction de la bobine d'activation (13.1, 13.2).
  12. 12. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, le noyau plongeur (12) intégrant au moins un élément aimanté (25) de façon permanente, la force de rappel élastique (F) est appliquée par la bobine (13.1, 13.2), dite d'activation, située du côté opposé au point mort cible, en sorte que la force de rappel élastique (F) correspond à une force de répulsion appliquée sur le noyau plongeur (12) en direction opposée de la bobine d'activation.
  13. 13. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'élément actif (11) comporte un circuit magnétique (15) formé par une culasse (16) et deux noyaux fixes (17.1, 17.2) situés chacun à une extrémité de la culasse (16).
  14. 14. Moteur électrique rotatif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un entrefer (E) entre le noyau plongeur (12) et un noyau fixe (17.1, 17.2) présente une forme tronconique.
  15. 15. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un, de préférence au moins deux éléments actifs (11 ).
  16. 16. Moteur électrique rotatif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte trois éléments actifs (11), chaque élément actif (11) étant espacé en phase et/ou géométriquement de 120 degrés de son voisin le plus proche.
  17. 17. Moteur électrique rotatif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que les éléments actifs (11) sont reliés à un unique maneton (28) d'un arbre (22).
  18. 18. Moteur électrique rotatif selon l'une quelconque des revendications
    1 à 17, caractérisé en ce qu'il est configuré pour présenter une phase de lancement visant à atteindre une vitesse cible, une phase d'embrayage 5 consistant par exemple à incliner des pales d'une hélice pour générer une force de poussée, et une phase d'entretien d'un régime permanent via un apport complémentaire d'énergie systématique pour maintenir un point de fonctionnement du moteur.
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