FR3142626A1 - Moteur diphasé à encombrement réduit - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un moteur électrique sans balais diphasé constitué par un rotor (10) et un stator (20), le stator (20) étant constitué par un empilement de tôles ferromagnétiques découpées présentant deux dents (21, 22) s’étendant chacune selon un axe radial médian (), lesdits axes radiaux médians () étant coplanaires, la section transverse du stator s’inscrivant dans un rectangle de longueur et de largeur , chacune desdites dents (21, 22) étant entourée par une bobine (31, 32), le rotor (10) comportant 3, 4 ou 5 paires de pôles magnétiques aimantés radialement, en sens alternés, caractérisé en ce que lesdits axes radiaux médians () forment entre eux un secteur angulaire s’étendant sur un angle compris entre 145° et 180° et en ce ledit stator (20) présente au moins une continuité mécanique et magnétique (41, 42), s’étendant entre les deux dents bobinées (21, 22). Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un moteur électrique sans balai diphasé, notamment un moteur intégré dans un système mécatronique. En particulier, l’invention concerne des périphériques automobiles très contraints en encombrement tels que des vannes d’expansion ou l’actionnement de volets d’aiguillage de flux d’air d’un module de climatisation.
Un tel exemple de moteur est décrit par le brevet FR2742940B1 de la demanderesse, proposant un tel moteur diphasé constitué par une partie statorique excitée par deux bobines électriques et par un rotor aimanté présentant N paires de pôles aimantés radialement en sens alternés, N étant égal à 3 ou à 5. La partie statorique présente au moins deux circuits en forme de W comportant chacun une bobine électrique entourant la jambe centrale. Les circuits en W sont disposés de façon que lorsque l'une des jambes centrales se trouve en face d'une transition magnétique, l'autre jambe centrale se trouve en face d'un pôle magnétique. Les épanouissements polaires des jambes d'un circuit en W étant espacées angulairement de π/4 et les épanouissements polaires des jambes centrales de deux circuits en W appartenant à des phases différentes étant écartées angulairement d'un angle sensiblement égal à π/2±k.π/N, où N est le nombre de paires de pôles magnétiques, soit 3 ou 5 et k est égal à 0, 1, ou 2.
D’autres moteurs similaires sont connus, par exemple par le brevet EP3010127 décrivant une solution avec un aimant à quatre paires de pôles S et de pôles N formées à des intervalles angulaires égaux, et un stator comprenant six pôles saillants. Un premier pôle saillant comprenant une première bobine et un second pôle comprenant une seconde sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de 112,5°.
Le moteur décrit dans le brevet JP2017022892 comprend un rotor avec des aimants dans lesquels des pôles S et des pôles N sont alternativement prévus dans une direction circonférentielle ; un noyau de stator formé en disposant une pluralité de pôles saillants avec des parties de pointe se faisant face à une distance sur la surface périphérique extérieure de l'aimant, dans la direction circonférentielle ; et un stator muni d'une bobine 9 disposée autour de deux des pôles saillants (pôles saillants. Lorsqu'une largeur de pôle magnétique de l'aimant est D1 et une largeur de pôle saillant est D2, la largeur de pôle saillant D1 représente 50 % ou plus de la largeur de pôle magnétique D2 de l'aimant.
Le brevet EP2874291 décrit un autre exemple de moteur électrique comprenant un rotor comprenant une partie aimantée définissant une pluralité de pôles de rotor, et un stator comprenant une pluralité de bobines et une armature magnétique définissant un circuit magnétique. Chaque bobine comprend un noyau de bobine sous forme d'une pièce rapportée en un matériau magnétique fixé à l'armature magnétique. Le noyau de bobine comprend une dent définissant un pôle magnétique du stator, la dent comportant des extensions s'étendant dans une direction axiale parallèle à l'axe du rotor. La hauteur de la dent et la hauteur de la bobine sont égales ou presque égales à la hauteur de la partie aimantée du rotor.
Le brevet EP1244200 décrit également un moteur pas à pas comprenant un rotor, une pluralité de pôles magnétiques disposés sur la périphérie, deux flasques magnétiques face aux pôles magnétiques du rotor; deux bobines d'excitation pour exciter les deux flasques magnétiques en réponse aux impulsions de commande présentant une différence de phase, caractérisé en ce que: une base statorique est placée à côté du rotor, deux flasques magnétiques sont sur la base statorique pour que les chemins magnétiques puissent être formés respectivement et deux parties polaires magnétiques intégralement formées avec la base statorique formant les chemins magnétiques avec les flasques magnétiques respectivement.
Le brevet FR2754953 propose un moteur polyphasé formé par une partie statorique excitée par des bobines électriques et par un rotor aimanté présentant N paires de pôles aimantés radialement en sens alternés, N étant égal à 4 ou à 5. La partie statorique présente au moins deux circuits en forme de W comportant chacun une bobine électrique entourant la jambe centrale. Les circuits en W sont disposés de façon que lorsque l'une des jambes centrales - se trouve en face d'une transition magnétique, l'autre jambe centrale se trouve approximativement en face d'un pôle magnétique. Les épanouissements polaires des jambes centrales de deux circuits en W appartenant à des phases différentes sont écartés angulairement d'un angle sensiblement égal à 120°.
Le brevet JP2014241685 concerne un moteur comportant un rotor muni d'aimants ayant des pôles S et des pôles N agencés circonférentiellement alternativement à des intervalles angulaires égaux dans la direction circonférentielle, et une pluralité de pôles saillants opposés à la surface circonférentielle avec un espace dans la direction circonférentielle Un noyau de stator, une première bobine enroulé autour du premier pôle saillant parmi la pluralité de pôles saillants, et un second pôle saillant circonférentiellement espacé du premier pôle saillant parmi la pluralité de pôles saillants Un stator ayant une seconde bobine, et l'aimant a une paire, deux paires, quatre paires, cinq paires ou huit paires du pôle S et du pôle N, et le noyau du stator a Trois pôles saillants sont formés à des intervalles angulaires égaux, et la position angulaire du premier pôle saillant et du deuxième pôle saillant est déviée de 120 ° dans le sens circonférentiel.
Il est apparu que les différentes géométries proposées dans l’art antérieur conduisaient à des solutions pénalisées par un couple résiduel sans courant C0 relativement élevé et un encombrement suivant l’une des directions appartenant au plan perpendiculaire à l’axe de rotation, pour une puissance donnée, qui peut être amélioré et restreint.
Certaines solutions de l’art antérieur présentent par ailleurs l’inconvénient de nécessiter des formes statoriques complexes, incompatibles avec les techniques habituelles d’empilement de tôles ferromagnétiques fines, par exemple des techniques coûteuses telles que le formage en 3 dimensions des tôles ou l’assemblage de plusieurs pièces.
La présente invention vise à répondre à ces inconvénients. A cet effet l’invention porte dans sa portée la plus générale sur un moteur électrique sans balais diphasé constitué par un rotor et un stator, le stator étant constitué par un empilement de tôles ferromagnétiques découpées présentant deux dents s’étendant chacune selon un axe radial médian, lesdits axes radiaux médians étant coplanaires, la section transverse du stator s’inscrivant dans un rectangle de longueur et de largeur , chacune desdites dents étant entourée par une bobine, le rotor comportant 3, 4 ou 5 paires de pôles magnétiques aimantés radialement, en sens alternés, caractérisé en ce que lesdits axes radiaux médians forment entre eux un secteur angulaire s’étendant sur un angle compris entre 145° et 180° et en ce ledit stator présente au moins une continuité mécanique et magnétique, s’étendant entre les deux dents bobinées.
L’objet de la présente invention peut également revêtir l’une ou une combinaison compatible des caractéristiques suivantes.
En particulier lesdits axes radiaux médians forment entre eux un angle de 157,5°, le rotor présentant 4 paires de pôles.
En alternative possible, lesdits axes radiaux médians forment entre eux un angle de 162°, le rotor présentant 5 paires de pôles.
En autre alternative, lesdits axes radiaux médians forment entre eux un angle tel que les deux bobines sont déphasés électriquement de 120°.
Dans une première variante, ladite culasse présente une deuxième continuité mécanique et magnétique, l’une ou l’autre des continuités mécanique et magnétique formant au moins une dent continue non bobinée, lesdites première et seconde continuités mécaniques et magnétiques s’étendant de part et d’autre dudit rotor entre les deux dents bobinées, lesdites première et seconde continuités mécanique et magnétique étant de largeurs angulaires différentes.
En particulier pour cette première variante, la seconde desdites continuités mécanique et magnétique forme une dent continue non bobinée unique.
Selon cette variante, l’axe radial médian de chacune de la ou des dents continues non bobinées peut être situé à équidistance des axes radiaux médians.
Également selon cette variante, la largeur angulaire de la ou des dents continues non bobinées peut être comprise entre 60° et 130°.
Dans une autre variante, une continuité mécanique et magnétique forme deux dents non bobinées, l’axe radial médian de chacune desdites dents non bobinés formant avec l’axe radial médian de la dent bobinée la plus proche, un angle supérieur à 45°.
Dans une autre variante, ladite continuité mécanique et magnétique formant deux dents non bobinée est situé dans le secteur angulaire le moins étendu séparant les axes radiaux médians.
En variante, ladite culasse présente une discontinuité s’étendant entre les deux dents bobinées du côté opposé à ladite continuité mécanique et magnétique.
Dans une autre variante, le ratio entre le diamètre D du rotor et la longueur est supérieur à 50%.
Dans une variante, le ratio entre la largeur et la longueur de l’enveloppe extérieure du stator est compris entre 0,4 et 0,6.
En particulier, le ratio entre la largeur et la longueur de l’enveloppe extérieure du stator est compris entre 0,4 et 0,5.
Dans une variante, le rotor est accouplé à une vis sans fin constituant le premier module d’une transformation de mouvement.
En particulier ladite transformation de mouvement est de type rotatif-linéaire commande le déplacement linéaire d’un organe de sortie.
Plus précisément, ledit organe est un pointeau.
En alternative, ladite transformation de mouvement est un déplacement linéaire colinéaire à l’axe du rotor.
En autre alternative, ladite transformation de mouvement est de type rotatif-rotatif commande la rotation d’un arbre de sortie.
Dans une variante, ledit arbre de sortie est orienté selon une direction perpendiculaire à la direction de l’axe dudit rotor.
L’invention concerne également un système mécatronique comprenant un moteur électrique sans balai et un boitier sensiblement parallélépipédique caractérisé en ce que le moteur est conforme à l’une des variantes précédentes et en ce que l’axe du rotor est orienté selon la grande longueur d’une enveloppe parallélépipédique délimitant le boitier.
En particulier, le système mécatronique comporte un circuit imprimé disposé entre ledit moteur et ledit boîtier, la face du circuit imprimée moteur présentant un connecteur traversant une découpe prévue dans la face transversale dudit boîtier.
Description d’exemple non limitatifs 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 de face d’un premier exemple de réalisation d’un moteur selon l’invention à 4 paires de pôles aimantés,
La représente une vue de face d’un deuxième exemple de réalisation d’un moteur selon l’invention à 5 paires de pôles aimantés,
La représente une vue de face d’un troisième exemple de réalisation d’un moteur selon l’invention avec une discontinuité magnétique et mécanique,
La représente une vue de face d’un quatrième exemple de réalisation d’un moteur selon l’invention,
La représente une vue de face d’un exemple d’intégration du moteur selon l’invention dans un actionneur de mobilisation de volet, le boîtier de l’actionneur étant démuni de son couvercle,
La représente une vue en coupe orthogonale à l’axe du rotor de l’actionneur présenté à la figure précédente,
La représente une vue selon un plan de coupe AA’ de l’actionneur présenté en ,
La représente une vue de face d’un exemple d’intégration du moteur selon l’invention dans un actionneur de vanne d’expansion,
La représente une vue en coupe latérale de l’actionneur présenté à la figure précédente,
La représente une vue en coupe orthogonale à l’axe du rotor de l’actionneur de vanne présenté en , le boîtier étant démuni de son couvercle,
La représente une perspective d’une variante de réalisation à deux stators liés.
Le but de l’invention est de proposer un moteur électrique diphasé facile à fabriquer industriellement, performant et compact. Elle concerne en particulier un moteur présentant un facteur de forme perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor optimisé pour permettre une intégration dans un boîtier compact avec un positionnement de l’axe du rotor perpendiculaire au plan de coupe transversal du boîtier.
Pour certaines applications mécatronique (actionneurs de volets de calendre, vannes fluidiques,…) le facteur de forme recherché pour une intégration optimale du moteur dans le boîtier de l’actionneur implique, dans la section transverse du moteur (orthogonale à son axe de rotation) une dimension suivant un axe beaucoup plus faible que la dimension suivant l‘autre axe, se traduisant par des moteurs plutôt allongés et d’enveloppe sensiblement tubulaire, mais se distinguant des moteurs longiformes de l’art antérieur par un axe de rotation du rotor orthogonal à la grande longueur de ladite enveloppe et situé proche du milieu suivant cette grande longueur. Dans la suite du document, la largeur du moteur désigne la plus faible dimension du moteur de la section transverse, la longueur désigne la plus grande dimension du moteur de la section transverse et l’épaisseur désigne la dimension dans la direction orthogonale à la section transverse.
Selon une application particulière pour la commande de volets de climatisation automobile, le plan du stator perpendiculaire à l’axe de rotation est inscrit dans la plus petite section de l’actionneur.
Ces contraintes dimensionnelles doivent toutefois préserver les performances du moteur en termes de couple et de rendement électromécanique, et en réduisant le couple résiduel en l’absence de courant observé dans les solutions de l’art antérieur.
Caractéristiques géométriques du moteur selon l’invention
Le moteur électrique (1) diphasé selon l’invention comporte un rotor (10) et un stator (20) muni de deux bobines (31, 32) chacune reliée à une phase électrique alimentant ledit moteur diphasé. Le stator (20) est formé par un empilement de tôles fines ferromagnétiques présentant toutes la même découpe, symétrique par rapport à un plan médian transversal P. Lesdites tôles, vues dans le plan de lamination, sont munies d’une ceinture périphérique (40) fermée, s’inscrivant dans une enveloppe rectangulaire (50) de longueur et de largeur , et présentent des découpes pour former deux dents (21, 22) destinées à porter les deux bobines électriques (31, 32). Ces deux dents (21, 22) sont orientées radialement par rapport au rotor (10) et s’étendent selon deux axes ( ) coplanaires séparés angulairement d’un angle supérieur à 145°, de manière à former deux secteurs angulaires ( ) complémentaires. Dans au moins un des secteurs angulaires ( ), les dents (21, 22) sont reliées par une ceinture périphérique de manière à assurer au moins une continuité mécanique et magnétique (41, 42) entre les dents (21, 22). La séparation angulaire des dents (21, 22) bobinées, d’un angle très ouvert, permet de minimiser l’encombrement radial du stator dans les secteurs angulaires ( ) au sein desquels la découpe des tôles est épurée au strict nécessaire pour assurer une bonne liaison magnétique avec le rotor et garantir la bonne tenue mécanique de l’ensemble statorique.
On appelle plan de lamination des tôles, un plan orthogonal à l’épaisseur de la tôle, soit la plus petite dimension de la tôle avant d’éventuelles découpes. Les tôles sont empilées dans une direction orthogonale à ce plan pour former un paquet de tôle.
Le rotor (10) présente un diamètre D, et est inscrit dans l’enveloppe rectangulaire (50) des tôles statoriques de sorte que le ratio entre le diamètre du rotor et la largeur du stator soit supérieur à 50%. Le rotor présente N pôles aimantés (11, 12), avec N valant 6, 8 ou 10, distribués sur sa périphérie en sens alterné, pour former des pôles Nord (11) et des pôles Sud (12). Lesdits pôles sont préférentiellement réalisés dans une bague d’aimant monolithique surmoulée sur un noyau cylindrique, mais pourraient alternativement être obtenus par tout autre technique connue de l’homme de métier, comme le chassage d’une bague, le collage de tuiles aimantées ou encore, de manière non limitative, par l’aimantation d’un aimant injecté constituant un rotor monolithique.
La longueur des dents (21, 22) bobinées est choisie judicieusement pour être compatible avec une réalisation des bobines (32, 32) électriques sur corps de bobines, qui sont ensuite inséré sur les dents (21, 22) du paquet de tôles en passant par l’espace interne, dégagé pour accueillir le rotor (10). La longueur des dents (21, 22) bobinées doit donc être inférieure au diamètre rotor, , augmenté de deux fois l’entrefer magnétique, , qui correspond à la différence entre le front de dent (21, 22) et la périphérie extérieure du rotor.
La figure 1 illustre une première variante de réalisation selon l’invention munie d’un rotor à 8 pôles magnétiques (11, 12). De manière à optimiser les performances magnétiques, les axes ( ) des dents (21, 22) bobinées sont séparées angulairement de 157,5° qui est l’angle le plus ouvert permettant d’obtenir une parfaite quadrature magnétique entre les dents (21, 22) bobinées. Ainsi lorsque l’une des deux dents (21, 22) est située en face d’une transition entre deux pôles magnétiques (11, 12) du rotor, l’autre fait face au milieu d’un autre pôle magnétique. De manière à assurer un bon rebouclage du flux magnétique, les dents (21, 22) bobinées sont reliées par des continuités mécanique et magnétique (41, 42) dans chacun des secteurs angulaires ( ), dont la section, , soit l’épaisseur dans le plan de lamination des tôles, doit être suffisante pour assurer le passage du flux magnétique sans saturation, elle équivaut donc à la moitié de la largeur des dents (21, 22) bobinées. Cette contrainte définit l’encombrement maximum du stator et donc la longueur et la largeur de l’enveloppe rectangulaire (50).
Ces paramètres peuvent s’écrire en fonction des variables de dimensionnement du moteur, on obtient :
où équivaut à la moitié du plus petit angle séparant les axes ( ), est la longueur entre le centre de rotation du rotor et le fond d’une dent bobinée (21, 22) et est la largeur du fond de dent. Ces deux dernières valeurs s’écrivent :
où est la largeur des encoches permettant d’accueillir les bobinages et est la longueur d’une dent, avec comme contrainte pour l’insertion des bobines :
La largeur des dents (21, 22), soit , est préférentiellement déterminée par rapport à l’angle d’ouverture, , du front des dents (21, 22) et donne la relation :
Enfin, la largeur des encoches, , est fixée par l’extrémité du front de la dent non bobinée la plus proche, l’angle formé entre le milieu de dent et cette extrémité est nommé et on obtient :
De manière préférentielle, on choisit les angles et tel que :
et de sorte à respecter les ratios :
Par rapport à l’état de la technique des moteurs diphasés asymétriques qui préfèrent des angles fermés, souvent égaux à 90°, cette configuration présente l’avantage de mieux équilibrer les forces magnétiques et donc limiter les vibrations liées aux variations de force entre le rotor et le stator.
De manière à minimiser le couple sans courant, et toujours dans le but de minimiser les vibrations, les continuités mécanique et magnétique (41, 42) présentent chacune une excroissance s’étendant vers le rotor pour former une dent non bobinée (23, 24) très évasée, lesdites dents non bobinées (23, 24) s’épanouissant angulairement sur la majeure partie des secteurs angulaires ( ), laissant uniquement la place nécessaire pour les encoches accueillant les bobines électriques (31, 32) supportées par les dents (21, 22). Les secteurs angulaires ( ) étant de largeurs différentes, les fronts des dents non bobinées (23, 24) s’épanouissent sur des étendues angulaires différentes mais supérieures à 60°, les dents bobinées (21, 22) présentant plutôt un front de dent s’épanouissant sur un angle de 20°. Le moteur diphasé ainsi réalisé présente un entrefer quasi-lisse et encoché uniquement autour des dents (21, 22) pour permettre d’accueillir les bobines (31, 32).
A noter que cette configuration à dents larges permet d’entailler la périphérie extérieure de la continuité magnétique et mécanique (240) située dans le secteur angulaire ( le plus fermé. Les entailles (43, 44) ainsi crées, permettent d’assurer la fixation du stator (20) sans déborder de l’enveloppe rectangulaire (50) et tout en laissant une section suffisante pour le passage de flux magnétique au travers de la continuité magnétique et mécanique (41). Le secteur angulaire ( , le plus ouvert, offre plus de place pour assurer la tenue mécanique sans déborder de l’enveloppe rectangulaire (50), la seconde continuité magnétique et mécanique (42) peut donc présenter une section plus importante pour être munie de perçage (47, 48) afin d’assurer un positionnement très précis du stator et son maintien, tout en offrant une section de passage du flux magnétique suffisante.
Bien entendu l’angle de 157,5° existant entre les axes ( ) dents (21, 22) bobinées est optimal pour un pilotage diphasé des deux bobines. Cependant l’homme de métier pourrait imaginer modifier cet angle pour servir différents buts. Par exemple l’angle pourrait légèrement être modifié pour volontairement dégrader les performances magnétiques au niveau de la densité de couple, mais de manière à améliorer le couple sans courant. Une motivation alternative serait la réalisation d’un pilotage triphasé par deux bobines uniquement. Il est en effet possible d’alimenter les deux bobines conjointement de manière à émuler la bobine manquante du pilotage triphasé. On doit alors disposer les dents (21, 22) bobinées de manière à obtenir un angle électrique de 120° entre les bobines. On entend par là que la tension induite par la rotation du rotor produit aux bornes des deux bobinages des signaux déphasés de 120°. L’angle entre les axes ( ) dents (21, 22) bobinées serait alors de 165° de manière à obtenir un pilotage optimal compatible avec l’invention. Bien entendu, nous utilisons par abus de langage le terme pilotage triphasé car les vecteurs électriques correspondent à ce type de pilotage, mais nous restons dans le cadre d’un moteur diphasé pour lequel seuls deux bobinages sont alimentées.
La figure 2 illustre une seconde variante de réalisation selon l’invention. Elle diffère du mode de réalisation précédent en ce que le rotor est muni de 10 pôles magnétiques (11, 12). De manière à garder les dents (21, 22) bobinées en quadrature de phase, l’angle situé entre les axes ( ) est porté à 162°. Cette configuration permet d’obtenir un moteur encore plus plat que pour la version illustrée en à 8 pôles magnétiques (11, 12).
Une conséquence directe est que la périphérie extérieure de la continuité magnétique et mécanique (41), située dans le secteur angulaire ( le plus fermé, est plus proche du rotor. La section de la continuité magnétique et mécanique (41) est donc plus faible et ne permet plus d’entailler de sa périphérie extérieure, tel qu’illustré en , sans impacter le passage du flux magnétique ou sans que les moyens de fixation cylindrique ne dépasse de l’enveloppe rectangulaire (50). Il est en revanche possible de réaliser les entailles (45, 46) au niveau de la périphérie intérieure de la continuité magnétique et mécanique (41) de sorte à répondre au besoin de fixation mécanique du stator (20).
La montre également des encoches pour accueillir les bobines s’évasant dans la direction du rotor, cet angle d’évasement choisi entre le bord de la dent et l’autre flan de l’encoche, permet avantageusement d’ajuster l’inductance de la bobine.
Bien entendu les mêmes modifications sur l’angle entre les axes ( ) dents (21, 22) bobinées, que pour le mode de réalisation précédent. Pour obtenir une émulation d’un pilotage triphasé optimal, l’angle doit dans ce cas être égal à 168°.
La figure 3 illustre une troisième variante de réalisation selon l’invention. Elle diffère du mode de réalisation présenté en figure 1 en ce que le secteur angulaire ( ) le plus ouvert est dépourvu de continuité magnétique et mécanique (42), mais présente deux prolongements (42a, 42b) de la ceinture périphérique (40), séparés d’un dégagement (49) permettant d’assurer un rebouclement du flux magnétique entre les dents (21, 22) bobinées et le rotor (10), chacun de ces prolongements étant terminé par une dent (27, 28) non bobinée,
Cette configuration est particulièrement intéressante lorsqu’il est nécessaire de diminuer la largeur du stator. En effet dans l’exemple illustré en figure 1, la largeur de l’enveloppe rectangulaire (50) inscrivant le stator, est liée, dans le secteur angulaire ( ), à la section de la continuité magnétique et mécanique (42). Cette section doit être au minimum égale à la demi largeur, , des dents (21, 22) et doit être éloignée du rotor de la distance d’un entrefer, . La suppression de la continuité magnétique et mécanique illustrée en , permet de nous affranchir de cette contrainte. L’enveloppe rectangulaire (50) inscrivant le rotor est alors contrainte par la largeur angulaire et le positionnement des dents (27, 28) non bobinées, ces deux paramètres sont directement liés au couple sans courant de la machine électrique, cette structure fait donc l’objet d’un compromis entre l’optimisation du couple sans courant et son encombrement. A noter toutefois qu’un compromis similaire peut être réalisé dans la version illustrée en , pour laquelle il est également possible de réduire l’encombrement de la continuité magnétique et mécanique (42) au détriment des performances magnétiques.
Cette configuration est également intéressante en ce que le dégagement (49) de la ceinture périphérique (40) situé dans le secteur angulaire ( ) le plus ouvert peut être utilisé pour loger une sonde magnéto sensible permettant d’obtenir, par exemple, une information de position ou de cadence du rotor (10).
La figure 4 illustre une quatrième variante de réalisation selon l’invention. Elle diffère du mode de réalisation précédent, présenté en figure 3, en ce que la ceinture périphérique (40) est fermée entre les dents (27, 28) par une continuité magnétique et mécanique (42) et en ce que la continuité magnétique et mécanique (41) du secteur angulaire ( ) le plus fermé, est également muni de deux dents (25, 26).
Cette configuration est avantageuse dès lors que l’on veut ajuster précisément le couple sans courant, car elle laisse plusieurs degrés de liberté sur la largeur des dents (25, 26, 27, 28) non bobinées et leur positionnement par rapport à la dent (21, 22) bobinée adjacente. Pour réaliser cette optimisation, la symétrie du stator (20) par rapport au plan P est conservée, mais l’écart angulaire ( ) formé entre l’axe médian d’une dent (25, 26) du secteur angulaire ( ) le plus fermé et l’axe médian de la dent bobinée adjacente est différent de l’écart angulaire ( ) formé entre l’axe médian d’une dent (27, 28) du secteur angulaire ( ) le plus ouvert et l’axe médian de la dent bobinée adjacente. Dans l’exemple présenté en figure 4, l’écart angulaire ( ) vaut 45°, alors que l’écart angulaire ( ) vaut 55°. Les écarts angulaires ( ) optimaux dépendent directement de la polarité du rotor, mais on retiendra comme règle générale qu’un de ces angles doit être inférieur ou égal à 45°, l’autre devant être supérieur à 45°.
Les variantes présentées dans les figures 1 à 4 ne sont aucunement limitatives de l’invention et l’homme de métier pourrait judicieusement combiner l’une ou plusieurs des caractéristiques mentionnées. Par exemple, il pourrait tout à fait changer la polarité rotorique et adapter la structure statorique pour obtenir les bénéfices énoncés, il pourrait par exemple choisir une structure ne présentant qu’une continuité magnétique, tel que réalisé en figure 3, mais que celle-ci soit pourvue de deux dents. Il pourrait également aisément choisir une structure à 6 pôles magnétiques (11, 12), qui n’est pas représentée, et adopterait alors un angle de 150° situé entre les axes ( ) des dents (21, 22) bobinées.
Un exemple concret de réalisation des variantes présentées au figures 1 à 4 pour les applications citées présenteraient typiquement un diamètre rotor de 11,85 mm, une longueur de 36,5 mm et une largeur de 16,15 mm pour la version à 8 pôles aimantés (11, 12) et 15,35 mm pour la version à 10 pôles aimantées (11, 12). On obtient donc pour la version à 8 pôles un ratio et un ratio et pour la version à 10 pôles un ratio et un ratio .
L’invention concerne aussi un ensemble mécatronique avec l’une des variantes suivantes :
- Moteur intégré à un actionneur avec ou sans réduction
- Moteur intégré à un actionneur avec une réduction par engrenage
- Moteur intégré à un actionneur avec transformation linéaire.
Selon un exemple de réalisation illustré par les figures 5, 6 et 7, le moteur électrique (1) selon l’invention est associé à un train réducteur de mouvement (120), le tout étant intégré dans un boîtier (100) pour former un actionneur très compact destiné à motoriser, par exemple, des volets de climatisation. La illustre une vue de face, pour laquelle le capot supérieur (101) du boîtier a été retirée, la illustre une vue en coupe latéral de l’actionneur au niveau de la sortie du moteur électrique et parallèle au plan de lamination des tôles du stator (20), et la illustre une vue selon une coupe longitudinale, du boîtier uniquement, selon l’axe brisé AA’, qui permet d’apprécier le positionnement du stator (20) et le guidage de plusieurs mobiles du réducteur. Dans cet exemple de réalisation, le moteur est positionné dans le boîtier (100) dans un plan transversal, parallèlement à une face latérale (102) du boîtier (100), contrairement aux actionneurs à moteur intégré habituels où le moteur est disposé de telle sorte que l’axe du rotor (110) soit perpendiculaire au fond du boîtier et à l’axe de sortie de l’actionneur. On entend par actionneur à moteur intégré, un actionneur pour lequel le moteur et le réducteur ne sont pas des éléments intègres puis assemblés, mais un actionneur très compact pour lequel un boitier unique intègre directement le réducteur et les constituants du moteur électrique sans boîtier intermédiaire.
L’axe du rotor (110) est accouplé à une vis sans fin (121) entrainant le premier mobile (123), soit un ensemble pignon/roue dentée, d’un sous ensemble à train droit (122) du réducteur de mouvement (120), les axes de rotation des différents mobiles (123, 124, 125) du sous ensemble à train droit (122) sont parallèles et tous perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor (10). Le dernier mobile du sous ensemble à train droit (110) est une roue de sortie (113) traversé par une lumière polygonale d’accouplement (126) avec l’organe à entraîner par l’actionneur. Un circuit imprimé (2) est placé entre le moteur (1) et la face latérale (102). Les flancs latéraux (61, 62) du stator (20), suivant sa grande longueur, jouxtent les parois longitudinales (103, 104) du boîter, si bien que le moteur et son électronique occupent l’intégralité de l’espace distal du boîtier (100), le réducteur de mouvement (120) s’étendant dans l’espace proximal dudit boîtier (100). Un connecteur (3) soudé sur le circuit imprimé (2) traverse une ouverture pratiquée dans la face latérale (102). L’accouplement judicieux entre le rotor (10) et le réducteur de mouvement (120) à l’aide d’une vis sans fin (121) permet de conférer une irréversibilité à l’actionneur et donc empêcher des mouvements involontaires de l’organe à entraîner. Ceci est difficile à obtenir avec les solutions de l’art antérieur, lorsqu’il s’agit également de tenir un facteur de forme particulier pour lequel l’encombrement de l’actionneur selon la direction de son axe de sortie. Cette variante permet ainsi de réaliser un actionneur performant très compact d’une longueur de 59 mm, d’une largeur de 42 mm pour une épaisseur de seulement 20 mm dans la direction de son axe de sortie.
Les figures 8 à 10 présentent une application du moteur selon l’invention pour la réalisation d’une vanne (200) fluide. Ce mode de réalisation est semblable à l’art antérieur connu des actionneurs de vanne à rotor (10) immergé, en ce que le moteur électrique (1) est positionné transversalement au-dessus du corps de vanne (201), le rotor (10) étant solidaire d’un pointeau (210) est intégré dans une cartouche (202) étanche, munie de ses moyens de guidage, qui est directement vissée sur le corps de vanne (201). Le stator (20) intégré dans un boîtier (220), peut être rapporté sur le corps de vanne (201) après l’assemblage de la cartouche (202) et la réalisation de tous les tests d’étanchéité en univers contrôlé. Le rotor (10) présente une cavité interne (240) munie d’un taraudage (241) coopérant avec un filetage (225) d’une excroissance axiale (224) de l’embase de la cartouche (221). Le pointeau (210) est fixé sur l’extrémité axiale (245) du rotor, opposée au corps de vanne (201), et s’étend au travers de la cavité interne (240) du rotor. L’excroissance axiale (224) de l’embase de la cartouche (221) est munie d’un perçage longitudinal (226) traversant permettant d’assurer le guidage dudit rotor (10) par coopération avec le pointeau (210). Le pointeau (210), en traversant le perçage longitudinal (228), débouche au sein du corps de vanne (201) et permet l’obturation du conduit de vanne (230), véhiculant le fluide, lors de son déplacement en extrémité de course. La course linéaire du pointeau (210) est réalisée par la mise rotation du rotor (10) par l’alimentation des bobines (31, 32), ceci conduit à son vissage du rotor sur l’excroissance axiale de l’embase de la cartouche, se traduisant par un mouvement de déplacement hélicoïdal du rotor (10) et du pointeau (210) lui étant solidaire. Le rotor (10), se déplaçant linéairement lors de sa course, est muni d’une bague aimantée (15) présentant une hauteur égale à l’épaisseur du paquet de tôles statorique (29) augmentée de la distance de déplacement axiale du pointeau (210), de manière à assurer des performances magnétiques identiques sur toute la course d’ouverture. L’intégration de l’invention à ce type de vannes permet de limiter drastiquement l’encombrement ajouté par la motorisation. En effet, comme le montre la , la forme très allongée du moteur électrique (1) permet avantageusement, lorsqu’il est orienté dans la direction du conduit de vanne (230), de n’accroitre l’encombrement de la vanne que dans la direction de l’axe du pointeau (210) et permet donc de former un ensemble très compact.
La illustre une variante de réalisation selon l’invention pour laquelle deux moteurs (1a et 1b) sont liés mécaniquement par leur stators (20a et 20b) découpés dans un même paquet de tôle. Ce mode de réalisation est avantageux pour les applications de grande compacité devant entraîner indépendamment en rotation, deux axes situés très proches l’un de l’autre. En effet, les deux rotors (10a et 10b) sont ici séparés d’une distance inférieure à la longueur de l’ensemble. Dans ce mode de réalisation, les deux stators sont jouxtant par leur secteur angulaire le plus fermé de manière à former une symétrie miroir, mais l’invention ne se limite pas à ce mode de réalisation et les stators (20a et 20b) pourraient également être liés pour l’un du côté du secteur angulaire le plus ouvert et pour l’autre du côté du secteur angulaire le plus fermé, ou alors les deux par le côté du secteur angulaire le plus ouvert. En variante possible un nombre supérieur de moteurs pourrait être juxtaposé de manière à entraîner un nombre voulu d’axes proches en rotation indépendante.
Claims (22)
- Moteur électrique sans balais diphasé constitué par un rotor (10) et un stator (20), le stator (20) étant constitué par un empilement de tôles ferromagnétiques découpées présentant deux dents (21, 22) s’étendant chacune selon un axe radial médian (
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits axes radiaux médians (
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits axes radiaux médians (
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits axes radiaux médians (
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite culasse présente une deuxième continuité mécanique et magnétique, l’une ou l’autre des continuités mécanique et magnétique formant au moins une dent continue non bobinée, lesdites première et seconde continuités mécaniques et magnétiques (41, 42) s’étendant de part et d’autre dudit rotor (10) entre les deux dents bobinées (21, 22), lesdites première et seconde continuités mécanique et magnétique (41, 42) étant de largeurs angulaires différentes.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la seconde desdites continuités mécanique et magnétique (42) forme une dent continue non bobinée unique.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon l’une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que l’axe radial médian de chacune de la ou des dents continues non bobinées est situé à équidistance des axes radiaux médians (
- Moteur électrique sans balais diphasé selon l’une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la largeur angulaire de la ou des dents continues non bobinées est comprise entre 60° et 130°.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’une continuité mécanique et magnétique (41, 42) forme deux dents (25, 26 ; 27, 28) non bobinées, l’axe radial médian de chacune desdites dents non bobinés formant avec l’axe radial médian (A1, A2) de la dent bobinée la plus proche, un angle supérieur à 45°.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite continuité mécanique et magnétique formant deux dents non bobinée est situé dans le secteur angulaire le moins étendu séparant les axes radiaux médians (
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite culasse présente une discontinuité s’étendant entre les deux dents bobinées du côté opposé à ladite continuité mécanique et magnétique.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ratio entre le diamètre D du rotor et la longueur
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ratio entre la largeur
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ratio entre la largeur
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rotor est accouplé à une vis sans fin constituant le premier module d’une transformation de mouvement.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite transformation de mouvement est de type rotatif-linéaire commande le déplacement linéaire d’un organe de sortie.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit organe est un pointeau.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 13 caractérisé en ce que ladite transformation de mouvement est un déplacement linéaire colinéaire à l’axe du rotor.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 13 caractérisé en ce que ladite transformation de mouvement est de type rotatif-rotatif commande la rotation d’un arbre de sortie.
- Moteur électrique sans balais diphasé selon la revendication 13 caractérisé en ce que ledit arbre de sortie est orienté selon une direction perpendiculaire à la direction de l’axe dudit rotor.
- Système mécatronique comprenant un moteur électrique sans balai et un boitier sensiblement parallélépipédique caractérisé en ce que le moteur est conforme à la revendication 1 et en ce que l’axe du rotor est orienté selon la grande longueur d’une enveloppe parallélépipédique délimitant le boitier.
- Système mécatronique selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comporte un circuit imprimé disposé entre ledit moteur et ledit boîtier, la face du circuit imprimée moteur présentant un connecteur traversant une découpe prévue dans la face transversale dudit boîtier.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PLFP | Fee payment |
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| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20240531 |