FR3124035A1

FR3124035A1 - Moteur de petites dimensions

Info

Publication number: FR3124035A1
Application number: FR2106266A
Authority: FR
Inventors: Lionel BILLET
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2041-06-14
Also published as: KR20240021254A; FR3124035B1; WO2022263769A1; CN117730472A; EP4356498A1

Abstract

L’invention présente un moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques et par un rotor aimanté, la partie statorique présentant des dents s'étendant radialement, caractérisé en ce que, la partie statorique comporte : - trois dents bobinées (1 à 3) consécutives, portant chacune une bobine, dans un premier secteur angulaire - une à trois dents complémentaires non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire, lesdites dents non bobinées étant configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées. Figure 1

Description

Moteur de petites dimensions

Domaine de l’invention

La présente invention concerne un moteur électrique triphasé, de faible encombrement et de masse réduite, destiné notamment à entraîner un réducteur à plusieurs étages logés dans un boîtier où la partie statorique s’intègre d’une façon permettant une bonne organisation des autres composants (roues dentées, circuit électronique…).

Etat de la technique

On connaît dans l’état de la technique le brevet EP2171831B1 de la demanderesse décrivant une solution connue de moteur électrique triphasé présentant une partie statorique excitée par des bobines électriques et par un rotor présentant N paires de pôles aimantés radialement en sens alternés.

La partie statorique présente deux secteurs angulaires alpha-1, et alpha-2, de rayons respectifs R1 et R2 avec R1 différent de R2, comportant des dents larges et des dents étroites respectivement s'étendant radialement depuis une couronne annulaire. Les dents larges présentent une largeur supérieure ou égale au double de la largeur des dents étroites, en ce que la largeur d'encoche est supérieure à la largeur d'une dent étroite. Le secteur angulaire alpha-1 est inférieur à 220° et comporte au moins trois bobinages.

On connaît aussi le brevet EP3326263 décrivant une autre solution de motoréducteur constitué par un boitier comprenant un moteur sans balai présentant au moins deux phases électriques, un rotor tournant autour d'un axe, et composé d'un ensemble statorique présentant au moins deux pôles portant chacun des bobines dont les axes de bobinage sont espacés d'un angle mécanique inférieur à 180° et s'étendent radialement.

Le brevet FR3096195 décrit une autre solution encore de motoréducteur comportant un train d’engrenages réducteur et un moteur électrique triphasé comprenant un stator formé d’un empilement de tôles et de 3*k bobines électriques et un rotor présentant k*N paires de pôles aimantés, avec k = 1 ou 2, le stator présentant deux secteurs angulaires alpha 1 et alpha 2 distincts, centrés sur le centre de rotation dudit moteur et comportant une alternance d’encoches et de 3*k*N dents régulièrement espacées convergeant vers le centre de rotation et définissant une cavité dans laquelle est placé ledit rotor, caractérisé en ce que N = 4 et en ce que alpha 1 est inférieur ou égal à 180° et comporte l’ensemble desdites bobines dudit moteur.

Inconvénients de l’art antérieur

Les solutions de l’art antérieur sont satisfaisantes pour des applications où on dispose d’une place suffisante pour loger le moteur. Toutefois, il n’est pas possible de réduire les dimensions homothétiquement. En effet, certaines dimensions sont contraintes par des paramètres tels que l’énergie électrique appliquée aux bobines, qui ne permettent pas de réduire le volume de cuivre, et donc la section des fils de bobinage ou l’encombrement des bobines en-dessous d’une limite. Aussi, les dimensions de certains éléments, tels que les corps de bobines et les éléments de connections électriques ne peuvent être réduites proportionnellement à la taille du moteur, le volume disponible pour les fils conducteurs des bobines est donc proportionnellement réduit. Les performances desdits moteurs sont en conséquence dégradées.

Les solutions de l’art antérieur se heurte de ce fait à des limites de miniaturisation pour une puissance fixée.

Solution apportée par l’invention

L’objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient et concerne selon son acception la plus générale un moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques et par un rotor aimanté, la partie statorique présentant des dents s'étendant radialement caractérisé en ce que, la partie statorique comporte :
- trois dents bobinées consécutives, portant chacune une bobine, dans un premier secteur angulaire
- une à trois dents complémentaires non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire, lesdites dents non bobinées étant configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées.

Avantageusement, l’écart angulaire entre deux dents bobinées consécutives est de 60°.

Selon un premier mode de réalisation, le stator comporte six dents, avec trois dents non bobinées avec un écart de 60°, diamétralement opposées auxdites dent bobinée.

Selon un deuxième mode de réalisation, le stator comporte cinq dents, avec une dent non bobinée de part et d’autre dudit premier secteur angulaire, avec un écart de 60° entre la dent non bobinée et la dent bobinée consécutive.

Selon un troisième mode de réalisation, le stator comporte quatre dents, avec une dent non bobinée diamétralement opposée à la dent bobinée centrale.

Selon une variante, la longueur des bobines mesurée radialement et inférieure au diamètre du rotor, pour faciliter l’insertion.

Selon une autre variante, le stator est réalisé en deux parties pour pouvoir insérer des bobines longues.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où :
La représente une vue en perspective d’un premier exemple de réalisation,
la représente une vue de face d’un premier exemple de réalisation,
la représente une vue en coupe d’un premier exemple de réalisation,
la représente une vue d’une tôle statorique d’un premier exemple de réalisation,
la représente une vue d’une tôle statorique d’une variante du premier exemple de réalisation présentant des dents inégales,
,
,
les figures 6a, 6b, 6c représentent les courbes typiques de couple selon le premier exemple de réalisation optimisé,
la représente une vue en perspective d’un troisième exemple de réalisation,
,
,
les figures 8a, 8b, 8c représentent les courbes typiques de couple selon le troisième exemple de réalisation optimisé,
la représente une vue en perspective d’un mode de réalisation alternatif d’un stator selon l’invention,
la représente une vue en perspective de différentes variantes de rotor selon l’invention,
La représente une vue en perspective d’un mode de réalisation alternatif d’un stator selon l’invention,
La représente une vue en perspective de couplage de l’invention à un réducteur,
La représente une vue en perspective d’une variante de couplage de l’invention à un réducteur,
La représente une vue en perspective d’une variante de couplage de l’invention à un réducteur.

Principe général

La présente invention a donc pour but de proposer un moteur, destiné notamment à équiper un moto-réducteur, qui soit économique et robuste, adapté aux grandes séries, et comportant pour cela un moteur électrique polyphasé permettant une intégration facile avec un réducteur ou un système de transformation de mouvement, en respectant toutes les contraintes posées en termes de dimensions extérieures et de masse.

Pour des structures de petite dimension, l’espace entre les dents est insuffisant avec les architectures statoriques de l’art antérieur et ne permet pas de loger suffisamment de cuivre dans les encoches. En effet, les corps de bobines présentent une largeur non négligeable par rapport à la dimension du moteur et comme ils ne peuvent pas être réduits pour des raisons de moulabilité et de résistance diélectrique à garantir entre les bobines et les tôles statoriques, il faut augmenter la place disponible pour le cuivre. Le passage à un nombre moindre de dents proposé par l’invention permet d’augmenter le volume de cuivre disponible. Le corps de bobine restant de volume constant, le ratio volume de cuivre sur volume du corps de bobine est donc favorablement impacté. La solution objet de l’invention consiste à choisir une structure de trois dents bobinées consécutives, auxquelles on ajoute une à trois dents non bobinées, soit au total 4 à 6 dents en combinaison avec un rotor à 4 paires de pôles, les dents étant réparties à 60° ou 120° les unes des autres. Le facteur de bobinage de cette structure 6 dents 4 paires de pôles étant magnétiquement défavorable en comparaison des structures précédemment citées à 12 dents 5 paires de pôles, l’homme de métier ne la choisira pas naturellement sauf si la contrainte d’encombrement est suffisamment forte

Le moteur est alimenté avec 3 bobines seulement (sur un maximum de 6 qu'il pourrait porter) car ceci permet de réduire le volume total de corps de bobine, et donc maximise celui de cuivre, et simplifie grandement les connexions électriques.

La solution magnétique associant un stator présentant des dents bobinées séparées mécaniquement de 60° et un rotor présentant 4 paires de pôles n’est pas triviale car cette configuration présente un couple sans courant de faible rang harmonique et donc d’amplitude importante. L’invention se propose de résoudre ce problème en choisissant des largeurs angulaires de dents spécifiques.

La structure statorique est asymétrique, l'ensemble des bobines étant distribuée sur 3 dents situées dans un même secteur angulaire inférieur à 180°. Le secteur angulaire complémentaire présente une, deux ou trois dents nues, c’est-à-dire dépourvues de bobines, de manière à contrebalancer les efforts magnétiques.

L’augmentation de la longueur des dents non bobinées n’ayant aucune incidence bénéfique sur les performances de la machine à partir d’une certaine longueur, il est possible de les choisir plus courtes que les dents bobinées, ceci conduisant à pouvoir inscrire le secteur angulaire complémentaire, contenant les dents non bobinées, dans une empreinte circulaire de rayon R2 plus court que R1, celui de l’empreinte circulaire inscrivant le secteur angulaire contenant les dents bobinées.

Premier exemple de réalisation

Les figures 1 à 4 correspondent à un premier mode de réalisation d’une variante à six dents (1 à 6). Trois dents consécutives (1 à 3) sont bobinées, avec des bobines respectivement (11 à 13) supportées par un noyau isolant (21 à 23), formant un angle de 60° entre elles, complété par trois dents (4 à 6) plus courtes et non bobinées.

Les dents s’étendent radialement par rapport à une zone périphérique annulaire (10).

Le stator (30) est formé de manière connue par un empilement de tôles (20) découpées dans une feuille de métal ferromagnétique. Les bobines (11 à 13) sont montées sur un noyau (21 à 23) présentant des contacts (31 à 33 ; 41 à 43) de type « pressfit » permettant la liaison avec un circuit imprimé.
Détermination des caractéristiques des dents non bobinées

La largeur angulaire, , et la longueur des dents non bobinées (4 à 6), et éventuellement leur forme, sont ajustés en fonction du comportement recherché en matière de couple sans courant, qui peut privilégier la régularité et douceur (« smoothness ») ou une indexation plus ou moins raide. Ces caractéristiques peuvent être déterminées de manière empirique, par des ajustements successifs d’un prototype de rotor, ou par modélisation du couple sans courant. Pour un moteur présentant 6 dents successivement séparées d’un de 60° mécaniques et en combinaison avec un rotor présentant 4 paires de pôles, le couple sans courant, , peut être minimisé en choisissant des dents présentant une extrémité frontale d’épanouissement angulaire identique, , et d’une valeur située entre 22° et 23°. Néanmoins cette configuration à dents identiques n’est pas forcément optimale car elle limite l’espace que nous pouvons allouer aux bobines (11, 12, 13). Une variante de réalisation selon l’invention, présentée en figure 5, propose de solutionner ce problème en choisissant une largeur angulaire, , des dents non bobinées (4 à 6) plus importante que celle des dents bobinées (1 à 3), . De bons résultats sont obtenus lorsque les dents non bobinées (4 à 6) sont élargies et les dent bobinées (1 à 3) sont affinées de manière à garder un épanouissement angulaire total constant, c’est-à-dire, par exemple si les dents bobinées sont affinées de x°, soit , alors les dents non bobinées doivent être élargies d’une valeur identique de x°, soit . Nous pouvons ainsi imaginer des combinaisons de largeur de dents très disparates, x pouvant aller jusqu’à 5° et conduisant à des dents non bobinées (4 à 6) avec associées à des dents bobinées (1 à 3) avec . La règle mathématique de dimensionnement des dents n’est pas absolue et limitative de l’invention, mais seulement donnée pour illustrer une tendance, l’homme de métier pourra alors obtenir une compensation parfaite en réalisant des simulations numériques et des ajustements empiriques pour des valeurs proches de celles enseignées.

Les figures 6a, 6b, 6c représentent les variations de couple dues à l’harmonique 3 d’aimantation, perçues par une dent bobinée et une dent non bobinée en fonction de l’angle mécanique et représentées pour une période électrique et pour un ratio entre les largeurs angulaires des dents bobinées , et des dents non bobinées optimisé pour minimiser l’ondulation de couple sans courant . Les figures 6a, 6b, 6c présente le cas d’un stator à 6 dents. Pour une structure à 4 paires de pôles et des dents réparties à des angles mécaniques multiples de 60° (0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°), l’ondulation de couple sans courant, , est principalement due à l’harmonique 3 d’aimantation et produit une ondulation d’une fréquence 6 fois plus grande que la période magnétique, que l’on appelle . Ainsi, la figure 6a présente en courbe (101) la simulation du couple perçu par la dent (1) bobinée et la courbe (102) représente la somme des couples perçus par l’ensemble des dents (1 à 3) bobinées. Ces couples présentent une amplitude non négligeable comparés au couple généré par une bobine, courbe (100), lors de son alimentation avec le courant nominal. Un couple sans courant trop élevé générera des vibrations indésirables lors du fonctionnement, entraînant une usure prématurée et du bruit. Il est ainsi très important de le limiter autant que possible. La figure 6b présente en courbe (103) le couple simulé pour la dent (4) non bobinées et la courbe (104) présente la somme des couples sur l’ensemble des dents (4 à 6) non bobinées. On peut noter, comme le montre la figure 6c, que les couples simulés pour les dents bobinées, courbe (102), et pour les dents non bobinées, courbe (104), sont de même amplitude mais de phase opposée, ce qui conduit à une annulation parfaite du couple sommé sur la totalité des dents (1 à 6) et représenté par la courbe (110).

Deuxième exemple de réalisation

La présente une autre variante de réalisation avec uniquement deux dents non bobinées (4 et 6) et non reliées entre elles, mais reliées aux dents bobinées respectivement (1 et 3) entourées des bobines (11, 13) et la dent bobinée intermédiaire portant la bobine (12). Le stator entoure un rotor (50) aimanté. L’espace libéré entre les dents non bobinées (4, 6) permet de loger une sonde magnéto-sensible (30) pour mesurer la position du rotor et piloter l’alimentation électrique des bobines.

Contrairement au cas à 6 dents régulièrement réparties, une structure à 5 dents réparties à des angles mécaniques multiples de 60° (0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) mécanique, ne présente pas un minimum de couple sans courant lorsque les dents présentant une extrémité frontale d’épanouissement angulaire identique. Néanmoins l’invention propose de résoudre ce problème en choisissant une largeur angulaire, , des dents non bobinées (4, 6) plus importante que celle des dents bobinées (1 à 3), . De bons résultats sont obtenus lorsque l’épanouissement angulaire des dents non bobinées, , est identique et que leur total est égal à l’épanouissement angulaire total des dents bobinées elles aussi identiques, l’épanouissement angulaire d’une dent bobinée, , étant situé entre 22° et 23°. Ceci conduisant à la relation . Comme expliqué pour le mode de réalisation précédent, cet épanouissement angulaire n’est pas forcément unique ni optimal et nous pouvons le réduire de manière à pouvoir allouer plus de places au bobines (11, 12 ,13). Cette réduction doit s’accompagner d’une augmentation de la largeur angulaire des dents non bobinées de manière à garder l’épanouissement angulaire des dents (1, 2, 3 ,4, 6) constant. Par exemple si les dents bobinées (1, 2, 3) sont affinées de x°, soit , alors les dents non bobinées (4, 6) doivent être élargies d’une valeur complémentaire, soit , de manière à satisfaire la relation . Nous pouvons ainsi imaginer des combinaisons de largeur de dents très disparates, x pouvant aller jusqu’à 5° et conduisant à des dents bobinées (1 à 3) avec associées à deux dents non bobinées (4, 6) avec . La règle mathématique de dimensionnement des dents n’est pas absolue et limitative de l’invention, mais seulement donnée pour illustrer une tendance, l’homme de métier pourra alors obtenir une compensation parfaite en réalisant des simulations numériques et des ajustements empiriques pour des valeurs proches de celles enseignées.

Les figures 8a, 8b, 8c représentent les variations de couple dues à l’harmonique 3 d’aimantation, perçues par une dent bobinée et une dent non bobinée en fonction de l’angle mécanique et représentées pour une période électrique et pour un ratio entre les largeurs angulaires des dents bobinées , et des dents non bobinées optimisé pour minimiser l’ondulation de couple sans courant . Les figures 8a, 8b, 8c présentent le cas d’un stator à 5 dents. Plus particulièrement, la figure 8a présente en courbe (105) la simulation du couple perçu par la dent (1) bobinée et la courbe (106) représente la somme des couples perçus par l’ensemble des dents (1 à 3) bobinées. Ces couples présentent une amplitude non négligeable comparés au couple généré par une bobine, courbe (100), lors de son alimentation avec le courant nominal. Il est ainsi très important de le limiter autant que possible. La figure 8b présente en courbe (107) le couple simulé pour la dent (4) non bobinées et la courbe (108) présente la somme des couples sur l’ensemble des dents (4, 6) non bobinées. On peut noter, comme le montre la figure 8c, que les couples simulés pour les dents bobinées, courbe (106), et pour les dents non bobinées, courbe (108), sont de même amplitude mais de phase opposée, ce qui conduit à une annulation parfaite du couple sommé sur la totalité des dents (1 à 6) et représenté par la courbe (110).

Une dernière alternative, non représentée, est de compenser le couple sans courant à l’aide d’une seule dent non bobinée située dans le secteur angulaire complémentaire.

Les figures 6a, 6b, 6c d’une part et 8a 8b, 8c d’autre part illustrent la compensation parfaite du couple sans courant , réalisé à l’aide de largeurs de dents spécifiques. Néanmoins la compensation du couple sans courant n’est pas limitative de l’invention, car pour certaines applications une amplitude de couple sans courant non nulle est désirée, par exemple pour assurer un blocage de l’actionneur lorsqu’il n’est pas alimenté. L’homme de métier pourra alors ajuster la largeur des dents bobinées pour optimiser les performances de sa machine, puis ajuster la largeur des dents non bobinées pour obtenir la valeur du couple sans courant désirée.

Enfin la répartition de dents non bobinées, d’épanouissement angulaire identique, à des angles multiples de 60° (soit 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) ne permet encor une fois que d’optimiser le couple sans courant et l’homme de métier pourrait imaginer une autre répartition, mais aussi des largeurs angulaires différentes pour les dents non bobinées, pour par exemple libérer de l’espace dans le secteur angulaire complémentaire.

Stator assemblé

Selon une variante de réalisation présentée en , le stator (8) peut être formé de deux parties assemblées, par exemple par une queue d’aronde, l’une des parties (8a) comportant le secteur angulaire avec les dents supportant les bobines (11, 12, 13), et l’autre partie (8b) comportant le secteur angulaire complémentaire présentant les dents non bobinées (4, 5, 6). Cette réalisation permet notamment d’enfiler des bobines (11, 12, 13) longues, dont la longueur est supérieure au diamètre du rotor (50).

Variantes de rotors

L’invention ne se limite pas à un rotor de type bague de 4 paires de pôles, tel que présenté dans la , mais peut utiliser n’importe quelle déclinaison de rotor connue de l’homme de métier dès lors qu’il présente 4 paires de pôles magnétiques. Par exemple, et tel que représenté en , le rotor (50a) peut présenter 8 aimants (51) enterrés, mais on pourrait aussi imaginer une alternative plus économe en aimant, telle que celle du rotor (50b), en alternant des pôles en aimant (53) avec des pôles saillants (52) en un matériau ferromagnétique doux.

Variante de stator à bec de dents

Selon une variante de réalisation présentée en , les dents bobinées (1, 2, 3) peuvent présenter un évasement frontal, appelé bec de dent, permettant d’allouer plus d’espace pour les bobines tout en optimisant la collection du flux rotorique. A noter que les dents non bobinées peuvent elles-aussi présenter des becs de dents de manière à, par exemple, affiner les dents pour alléger au maximum le stator.

Utilisation dans un motoréducteur

L’invention suivant toutes ses variantes présente un intérêt pour son intégration dans un motoréducteur. Les figures 12, 13 et 14 illustrent différentes configurations de couplage du rotor avec le premier module d’un train de réduction. Le rotor (50) est solidaire d’un pignon (51) qui engrène sur la rue dentée d’un premier module (52) de réduction de mouvement. Ce premier module est supporté par un axe (53) dont la disposition est limitée par l’encombrement du circuit magnétique. La illustre la possibilité d’insérer cet axe entre deux dents (4, 5) non bobinées, ce qui permet d’obtenir une plus grande latitude pour les diamètres du pignon (51) et de la roue du module (52) et donc plus de choix sur la réduction de ce premier étage. La illustre un autre positionnement possible de l’axe (53) en périphérie de deux bobines (12, 13). Cette configuration permet de libérer complètement l’espace situé dans le secteur angulaire ne contenant pas de bobine et donc de positionner le stator dans le coin du boîtier d’un motoréducteur de manière à obtenir une solution très compacte. Enfin la illustre la possibilité d’insérer l’axe (53) dans le secteur angulaire libre d’une version de l’invention à deux dents non bobinées, telle que présentée en . En effet les deux dents non bobinées (4, 6) ne sont pas reliées par un circuit ferromagnétique et l’espace libre peut être utilisé pour loger le pignon (54) du premier module (52) de la chaine de réduction. Ceci permet d’obtenir une version très compacte dans la direction axiale.

Claims

Moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques (11 à 13) et par un rotor (50) aimanté, la partie statorique présentant des dents (1 à 6) s'étendant radialement, caractérisé en ce que, la partie statorique comporte :
- trois dents bobinées (1 à 3) consécutives, portant chacune une bobine (11 à 13), dans un premier secteur angulaire
- une à trois dents complémentaires (4 à 6) non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire, lesdites dents non bobinées (4 à 6) étant configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées.
Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’écart angulaire entre deux dents bobinées consécutives est de 60°.
Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte six dents, avec trois dents non bobinées avec un écart de 60°, diamétralement opposées auxdites dent bobinée.
Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte cinq dents, avec une dent non bobinée de part et d’autre dudit premier secteur angulaire, avec un écart de 60° entre la dent non bobinée et la dent bobinée consécutive.
Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte quatre dents, avec une dent non bobinée diamétralement opposée à la dent bobinée centrale.
Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la longueur des bobines mesurée radialement est inférieure au diamètre du rotor.
Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le stator en est réalisé deux parties, ou plus.