WO1998052271A1 - Palier magnetique couple avec un moteur - Google Patents

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WO1998052271A1
WO1998052271A1 PCT/FR1998/000899 FR9800899W WO9852271A1 WO 1998052271 A1 WO1998052271 A1 WO 1998052271A1 FR 9800899 W FR9800899 W FR 9800899W WO 9852271 A1 WO9852271 A1 WO 9852271A1
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air gap
reference axis
pole piece
bar
electric motor
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PCT/FR1998/000899
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Charles Lambert
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Aerospatiale Societe Nationale Industrielle
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/20—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar machine
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
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    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors

Definitions

  • the invention relates to a direct current electric motor, preferably but not necessarily of the rotary type; the invention indeed also applies to the case of a linear electric motor.
  • the invention also relates to an electromagnetic device performing the combination of the motor and magnetic bearing functions.
  • such an electric motor comprises, in the case of a rotary control: - a first portion of body comprising two concentric pole rings between which is disposed an annular bar (there may be two concentric annular bars) and a annular air gap; ie annular bar with permanent magnetization is formed of an alternating series of permanent magnets having permanent radial magnetization, the radial direction of which is alternately directed towards the axis or directed opposite the axis; this magnetic bar generates flux lines which cross the air gap radially, circumferentially runs along one of the polar rings, crosses the air gap again using a neighboring magnet with opposite radial magnetization direction, then returns, by circumferential circulation in the other pole piece, in the first magnet, a second body portion comprising turns which are substantially tangent to a cylindrical immaterial surface extending through the air gap of the first body portion; these turns have axial strands, that is to say parallel to the axis of rotation, and circumferential strands connecting the axial strands.
  • Another object of the invention is an electric motor adapted to provide, in addition to a control function in movement relative to a reference axis, a magnetically active centering function parallel to this reference axis.
  • the invention proposes a direct current electric motor having a reference axis and comprising: * a first body carrying a first pole piece,
  • Such a motor has in common with the already known electric motors:
  • a second pole piece separated from the first pole piece by a first air gap transverse to the reference axis and extending along a line of relative movement disposed transversely to the reference axis, a bar with permanent magnetization secured to the first body, extending parallel to the first air gap and generating lines of flux passing through this first air gap,
  • a motor according to the invention is characterized in that: - the second body carries the second pole piece, which is bordered by the electrically conductive strands and defines with the first pole piece said first air gap and, moreover, a second air gap distinct from the first air gap but parallel to that -this,
  • this bar with permanent magnetization has a direction of magnetization which, relative to the reference axis, remains constant over its entire length
  • the invention makes it possible to dispense with the obligation to provide, within the bar with permanent magnetization, for alternating individual magnets with opposite directions of magnetization, as well as a switching circuit intended, in synchronism with the relative movement between the two parts of the motor, to reverse the direction of current flow in the axial strands of each turn.
  • An engine according to the invention is therefore much simpler and more reliable, and therefore cheaper, than known engines.
  • the degree of relative movement is a rotation about the reference axis, the bar with permanent magnetization, the first and second pole pieces and the various air gaps being annular, centered on the axis. reference.
  • This is a particularly important case in practice; nevertheless, as a variant, the invention applies to the case of a linear motor.
  • the first and second pole pieces are separated by this second air gap and by a third air gap, these second and third air gaps being arranged axially on either side of the first air gap, the magnetization bar permanent having a direction of magnetization perpendicular to the reference axis and being arranged transversely between two axially central portions of the first pole piece and the second pole piece, respectively.
  • the first and second pole pieces jointly define with the permanent magnet bar a shape of 8.
  • the magnetic flux lines generated by the bar with permanent magnetization are shared between two magnetic loops passing respectively through the first air gap and either the second or the third air gap.
  • a kind of symmetry of the magnetic loops is thus obtained on both sides axially of the magnet and of the first air gap.
  • At least one winding surrounds a portion of one of the first and second pole pieces, which is crossed by the magnetic flux lines generated by the bar with permanent magnetization.
  • the circulation of a current in this coil generates an adjustable magnetic flux, which makes it possible to modify at will the amplitude of the magnetic field existing in the second air gap (or even in the third air gap if it exists).
  • the second air gap is an axial air gap, it is understood that such a modification of the amplitude of the magnetic field in this axial air gap (even if it is unique) makes it possible to provide a magnetically active centering function parallel to the axis. reference.
  • the bar with permanent magnetization and the pole pieces contribute to the realization of a double function, of electric motor, on the one hand, and of magnetic bearing, on the other hand; a “motor-bearing” is thus obtained; this pooling of elements between motor and bearing allows very noticeable progress in the miniaturization of assemblies which must provide a motor function and a magnetic bearing function.
  • the two pole pieces preferably define with the permanent magnet bar an 8-shape; in addition the second and third air gaps are preferably axial air gaps, arranged axially on either side of one of the above-mentioned central portions. There are thus two axial air gaps, the sum of the thicknesses of which is constant, which facilitates the regulation of the magnetically active centering. These two axial air gaps are preferably arranged on either side of the central portion of the first pole piece.
  • the relative movement is a rotational movement
  • the simplest way to implant the winding is to arrange it around a radially internal skirt of one of the two pole pieces.
  • this radially internal skirt is part of the second pole piece.
  • this second piece When this second pole piece is generally disposed radially outside the first pole piece, this second piece polar advantageously comprises, for the aforementioned effect, a transverse portion extending towards the axis then a cylindrical flange (forming the aforementioned skirt) disposed axially opposite a edge of the first pole piece; it is around this cylindrical rim that the winding used for magnetically active centering along the axis of rotation can then be arranged.
  • a symmetrical arrangement at 8
  • two windings can be provided inside each of the loops of 8.
  • the electrically conductive strands located in the first air gap are connected, by means of transverse strands passing through the second pole piece, to second axial strands situated, with respect to this second pole piece, opposite the first air gap; it is thus ensured that these second axial strands, in which the current does not flow in the same direction as in the strands situated in the air gap (these strands being however necessary for ensuring the electrical connection, in series, of the first axial strands situated in the air gap) do not generate any parasitic force tending to oppose the driving of the motor along the aforementioned relative line of motion.
  • the transverse strands can thus, according to one embodiment, be part of turns, possibly grouped in bundles distributed along the line of relative movement, around portions parallel to this line, made of ferromagnetic material, inside windows arranged in that of the walls of the second pole piece which is parallel to the reference axis.
  • FIG. 1 is a schematic half-view in axial section of an electric motor according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the motor of FIG. 1, on which are viewed flux lines generated by a bar with permanent magnetization, and coils of axial magnetic centering
  • FIG. 3 is a view in axial section of a bearing motor according to the invention, for which the reference axis of FIG. 1 is an axis of rotation,
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the second pole piece of the bearing motor of FIG. 3,
  • FIG. 5 is a schematic view in axial section of another bearing motor similar to that of FIGS. 3 and 4 except that the radial positions of the first and second pole pieces have been reversed,
  • FIG. 6 is a graph showing the shape of the magnetic field lines existing in a bearing motor according to the invention, as defined by simulation, and
  • FIG. 7 is a similar graph corresponding to another configuration of the centralizers and the bar with permanent magnetization
  • FIG. 1 schematically represents a direct current electric motor, designated by the general reference 1, comprising a first body A, and a second body B having with respect to the first body a degree of relative movement transversely to a reference axis ZZ , HERE vertical
  • the first body A carries a first pole piece 11 separated from a second pole piece 12 by a first air gap 13 transverse to the reference axis ZZ and extending along a line of relative movement disposed transversely to the reference axis (in a plane perpendicular to the plane of the sheet)
  • first and second pole pieces 11 and 12 are arranged a bar with permanent magnetization 14 secured to the first body A, and bordering this first air gap 13.
  • first air gap 13 extends, parallel to the reference axis Z-Z, electrically conductive strands, such as that identified by the reference 15, secured to the second body B.
  • the second body B is represented as being fixed, while it is the body A which is in motion by relation to this body B. It should of course be understood that, in a variant not shown, it may be the body A which must be considered to be fixed and the body B as the mobile body.
  • the degree of relative movement can be, depending on the case, either a translational movement along a trajectory located transversely to the axis ZZ (perpendicular to the plane of the drawing), which corresponds to the case of a linear magnetic motor, or a movement of rotation around the ZZ axis.
  • the line of relative movement indicated above cannot, in reality, be located with precision. It is therefore only by way of example that this is identified by a cross designated by the reference 100 in FIG. 1: this cross must be considered to be the intersection between this line of movement and the plane of leaf ; this line could, as desired, be located lower or higher than the cross shown in this figure 1.
  • the second pole piece 12 is carried by the second body, and is bordered by the electrically conductive strands 15. There is therefore a relative movement between the pole pieces 11 and 12 which, in combination with the magnet bar permanent 14, define the air gap; on the other hand, the electrically conductive strands arranged parallel to the reference axis are fixed relative to one of these pole pieces, here the pole piece 12.
  • first and second pole pieces 11 and 12 jointly determine not only the first air gap 13, but at least a second air gap 16, or even a third air gap 17, these air gaps 16 and 17 being distinct from the first air gap 13 but parallel to this one ; when the air gap 13 is circular, this notion of parallelism implies that the air gaps 16 and 17 are coaxial with this air gap 13, that is to say that their center is, like that of the axis 13, on the axis ZZ.
  • the bar with permanent magnetization 14 has a direction of magnetization which, relative to the reference axis, remains constant over its entire length.
  • this sense of magnetization which, in FIG. 1 is shown oriented to the right, is oriented opposite the reference axis at any point of this bar with permanent magnetization; in the case of a rotary motor, the bar with permanent magnetization is a ring whose magnetization has a constant direction with respect to the axis.
  • all the electrically conductive strands which extend in the first air gap 13 are connected to an electrical source 150 so that the currents which flow therein have, at all times, the same direction parallel to this reference axis.
  • the electrically conductive axial strands 15 are part of turns arranged generally parallel to the axis, that is to say that they comprise, in addition to the radial strands 15 disposed inside the first air gap 13, of second axial strands 20 serving to ensure the return of current from one axial strand 15 to the other, by virtue of transverse strands 21 and 22 (radial, if the relative movement is a rotation).
  • the flow lines which circulate in the first air gap 13 and which reach the second pole piece 12 do not necessarily circulate axially towards the transverse portions 12B and 12C. They indeed have, due to the radial strands 21 and 22 above, to pass through a fixed air gap necessary for the passage of the transverse strands.
  • these flow lines may meet less resistance to circulate circumferentially in the surrounded portion by the turns so as to bypass these fixed air gaps.
  • the air gaps 16 and 17, formed between the pole pieces 11 and 12 in addition to the radial air gap 13, are arranged axially on either side of this first air gap.
  • the bar 14 with permanent magnetization is arranged, transverse to the axis ZZ, between two axially middle or central portions of the first pole piece 11 and of the second pole piece 12, respectively. This magnet is disposed axially between the air gaps 16 and 17 above. It is observed that thus the pole pieces 11 and 12 jointly form a sort of 8 with an upper magnetic circuit and a lower magnetic circuit (see below).
  • pole piece 12 advantageously has a general C shape, with curved ends, that is to say that the pole piece 12 has an axial portion, that is to say parallel to the axis ZZ, marked 12A, two transverse portions 12B and 12C extending transversely to the axis ZZ from the upper and lower axial ends of this axial wall 12A, and two axial flanges 12D and 12E extending the towards each other from the free ends of these transverse portions 12B and 12C, in the direction of the other pole piece, here the pole piece 11.
  • the two air gaps 16 and 17 are axial air gaps and are located at a substantial distance from the strands 15.
  • At least one coil here designated under the general reference
  • a second winding 19 is arranged around a portion of the pole piece 12 or 11 so that the circulation of a current in this winding can generate a circulation of magnetic flux lines inside this portion and therefore in the rest of the pole portions 11 and 12.
  • this winding 18 or 19 is for example arranged around a radially internal portion of one of the two pole pieces 11 and 12, here around the axial flanges 12D and 12E.
  • FIG. 1 generally admits symmetry around a horizontal transverse plane, not shown, passing through the permanent magnet 14.
  • FIG. 2 represents flux lines capable of circulating in the pole pieces 11 and 12.
  • flux lines generated by the bar with permanent magnetization 14, which circulate through the air gap 13 to the right are divided into two magnetic loops: they are divided up and down until circulating in the transverse portions 12B and 12C respectively , then in the flanges 12D and 12E of the pole piece 12. These flux lines then cross the axial air gaps 16 and 17, circulate in the pole piece 11 and meet to cross again the bar with permanent magnetization 14.
  • the relative magnetic centering between the bodies A and B, transverse to the reference axis Z-Z and to the relative line of movement 100 is ensured by independent means (see below).
  • the bearing motor designated under the reference 30 in FIG. 3 has the same structure as in FIG. 1, it being however specified that it accepts the reference axis ZZ as the axis of rotation.
  • the internal pole piece 31, similar to the pole piece 11 of FIG. 1, is arranged radially inside the pole piece 32 corresponding to the pole piece 12 of FIG. 1.
  • the elements similar to those in Figure 1 are designated by reference numbers which are deduced from those in Figure 1 by adding the number 20.
  • a bar with permanent magnetization 34 here of annular shape and radial direction of magnetization constantly oriented opposite the axis, as well as annular coils 38 and 39 arranged around axial flanges 32D and 32E of the pole piece 32.
  • centralizers 45 and 46 of the type described in document FR-2 732 734, that is to say two magnetic centralizers offset axially along the axis ZZ, on either side of the bearing motor itself.
  • These centering devices are here each made up of two permanently magnetized crowns respectively secured to bodies A and B. These crowns (these would be pairs of straight bars in the case of a straight motor) are opposite transverse to the reference axis, through transverse air gaps, and have magnetizations such that these crowns (or bars) tend to repel each other.
  • These rings are here in the same axial direction of magnetization.
  • these crowns (or bars) can each be split into pairs of crowns (or bars) with opposite magnetization directions.
  • the second pole piece 42 has, in its axial wall, a circumferential series of windows 43 in which are arranged packages of turns wound around ferromagnetic cores (not shown because masked by the turns) circumferentially passing through these windows.
  • the bearing motor of FIG. 5 is similar to that of FIGS. 3 and 4, except for an inversion of the relative positions of the pole pieces 51 and 52. It is, here, around a radially internal portion of the pole piece 52 that 'is arranged a coil 58 and / or 59.
  • FIG. 6 shows the flow lines defined by simulation for an example of a bearing motor according to the invention; this motor is similar to that of figure 5 (except the direction of the magnet) which explains why this figure 6 uses reference numbers from this figure 5 (the geometry of the various parts and air gaps has been simplified, as is common in this type of simulations).
  • the flux lines correspond to the magnets only. It was possible to verify by calculation (this was desired) that, for the geometry chosen, the radial stiffness of the centralizers is greater than the diverging radial stiffness due to the magnet 54.

Abstract

L'invention propose un moteur électrique à courant continu ayant un axe de référence Z-Z et comportant un premier corps (A) portant une première pièce polaire (11), un second corps (B) portant une seconde pièce polaire (12), ce premier corps et ce second corps ayant un degré de mouvement relatif transversalement à l'axe de référence, cette première pièce polaire et cette seconde pièce polaire étant séparées par une premier entrefer (13) transversal à l'axe de référence et s'étendant le long d'une ligne de mouvement relatif (100) disposée transversalement à l'axe de référence, et par au moins un second entrefer (16, 17) distinct du premier entrefer mais parallèle à celui-ci, un barreau (14) à aimantation permanente solidaire du premier corps et générant des lignes de flux magnétique circulant dans les première et seconde pièces polaires et traversant ces premier et second entrefers, ce barreau à aimantation permanente ayant, par rapport à l'axe de référence, un sens d'aimantation constant sur toute sa longueur, des brins électriquement conducteurs (15) solidaires du second corps, s'étendant dans ce premier entrefer parallèlement à l'axe de référence et connectés à une source électrique en sorte que les courants qui y circulent ont, à tout instant, un même sens parallèle à cet axe de référence.

Description

Palier magnétique couplé avec un moteur
L'invention concerne un moteur électrique à courant continu, de préférence mais non nécessairement du type rotatif ; l'invention s'applique en effet également au cas d'un moteur électrique linéaire. L'invention concerne également un dispositif électromagnétique réalisant la combinaison des fonctions moteur et palier magnétique.
Des exemples de moteur électrique du type rotatif sont donnés, notamment, par les documents US-4.211.452 et US-4.924.128.
De manière générale, un tel moteur électrique comporte, dans le cas d'une commande en rotation : - une première portion de corps comportant deux couronnes polaires concentriques entre lesquelles est disposé un barreau annulaire (il peut y avoir deux barreaux annulaires concentriques) et un entrefer annulaire ; ie barreau annulaire à aimantation permanente est formé d'une suite alternée d'aimants permanents ayant une aimantation radiale permanente dont le sens radial est, en alternance, dirigé vers l'axe ou dirigé à l'opposé de l'axe ; ce barreau aimanté génère des lignes de flux qui traversent l'entrefer radialement, longe circonférentiellement l'une des couronnes polaires, retraverse l'entrefer à la faveur d'un aimant voisin de sens d'aimantation radiale opposé, puis revient, par circulation circonférentielle dans l'autre pièce polaire, dans le premier aimant, - une seconde portion de corps comportant des spires sensiblement tangentes a une surface immatérielle cylindrique s'étendant au travers de l'entrefer de la première portion de corps ; ces spires comportent des brins axiaux, c'est-à-dire parallèles à l'axe de rotation, et des brins circonférentiels reliant les brins axiaux.
Lorsque, à un instant donné, on fait circuler un courant électrique dans les spires, certains des brins axiaux situés dans l'entrefer sont le lieu d'un courant circulant dans un sens tandis que d'autres brins situés dans ce même entrefer sont le siège d'un courant circulant dans l'autre sens ; on donne en effet, de manière à pouvoir minimiser la dimension radiale de l'entrefer, une forme très aplatie aux spires ; il en découle, conformément à la loi de LAPLACE, compte tenu du champ magnétique existant dans l'entrefer dans le sens radial, un effort qui s'applique à chaque brin dans un sens circonférentiel ; la résultante de ces efforts élémentaires se traduit par un couple relatif entre les deux portions de corps mobiles l'une par rapport à l'autre, sous réserve que les brins dans lesquels le courant circule dans un sens se trouvent dans un champ magnétique ayant un sens radiai donné alors que les brins dans lesquels circule un courant de sens opposé se trouvent dans un champ magnétique radial de sens lui aussi opposé ; c'est la raison pour laquelle le barreau aimanté est formé d'une alternance d'aimants permanents à sens d'aimantation alterné ; l'une des conséquences est également qu'il faut prévoir un circuit de commutation pour commuter le sens du courant circulant dans les spires, en fonction de la position instantanée relative entre les deux parties du moteur en mouvement relatif. L'invention a pour objet de permettre une commande en mouvement, de préférence (mais non nécessairement) une commande en rotation autour d'un axe de référence, qui soit plus simple et plus fiable que les moteurs actuellement connus.
Un autre objet de l'invention (indépendant du premier objet), est un moteur électrique adapté à assurer, outre une fonction de commande en mouvement par rapport à un axe de référence, une fonction de centrage magnétiquement actif parallèlement à cet axe de référence.
L'invention propose à cet effet un moteur électrique à courant continu ayant un axe de référence et comportant : * un premier corps portant une première pièce polaire,
* un second corps portant une seconde pièce polaire, ce premier corps et ce second corps ayant un degré de mouvement relatif transversalement à l'axe de référence, cette première pièce polaire et cette seconde pièce polaire étant séparées par un premier entrefer transversal à l'axe de référence et s'étendant le long d'une ligne de mouvement relatif disposée transversalement à l'axe de référence, et par au moins un second entrefer distinct du premier entrefer mais parallèle à celui-ci,
* un barreau à aimantation permanente solidaire du premier corps et générant des lignes de flux magnétique circulant dans les première et seconde pièces polaires et traversant ces premier et second entrefers, ce barreau à aimantation permanente ayant, par rapport à l'axe de référence, un sens d'aimantation constant sur toute sa longueur,
* des brins électriquement conducteurs solidaires du second corps, s'étendant dans ce premier entrefer parallèlement à l'axe de référence et connectés à une source électrique en sorte que les courants qui y circulent ont, à tout instant, un même sens parallèle à cet axe de référence.
Un tel moteur a en commun avec les moteurs électriques déjà connus :
- un premier corps portant une première pièce polaire, - un second corps ayant, par rapport au premier corps, un degré de mouvement relatif transversalement à un axe de référence,
- une seconde pièce polaire séparée de la première pièce polaire par un premier entrefer transversal à l'axe de référence et s'étendant le long d'une ligne de mouvement relatif disposée transversalement à l'axe de référence, - un barreau à aimantation permanente solidaire du premier corps, s'étendant parallèlement au premier entrefer et générant des lignes de flux traversant ce premier entrefer,
- des brins électriquement conducteurs solidaires du second corps, s'étendant dans ce premier entrefer parallèlement à l'axe de référence, et connectés à une source électrique.
A la différence des moteurs actuellement connus, dans lesquels les première et seconde pièces polaires sont portées par le même corps, et sont séparées par un entrefer unique, en coopérant avec un barreau à aimantation permanente formé d'éléments à sens alterné d'aimantation, tandis que l'autre corps électriquement porte des brins conducteurs qui, à un instant donné, sont le lieu de courants qui circulent dans un sens et dans l'autre, à l'intérieur de l'entrefer, un moteur conforme à l'invention se caractérise en ce que : - le second corps porte la seconde pièce polaire, laquelle est longée par les brins électriquement conducteurs et délimite avec la première pièce polaire ledit premier entrefer et, en outre, un second entrefer distinct du premier entrefer mais parallèle à celui-ci,
- ce barreau à aimantation permanente a un sens d'aimantation qui, par rapport à l'axe de référence, reste constant sur toute sa longueur,
- tous les brins électriquement conducteurs qui s'étendent dans le premier entrefer sont connectés à ladite source électrique en sorte que les courants qui y circulent ont, à tout instant, un même sens parallèle à cet axe de référence.
On appréciera que l'invention permet de se dispenser de l'obligation de prévoir, au sein du barreau à aimantation permanente une alternance d'aimants individuels à sens opposé d'aimantation, ainsi qu'un circuit de commutation destiné, en synchronisme avec le mouvement relatif entre les deux parties du moteur, à inverser le sens de circulation du courant dans les brins axiaux de chaque spire. Un moteur conforme à l'invention est donc bien plus simple et plus fiable, et donc meilleur marché, que les moteurs connus.
Selon une première caractéristique préférée de l'invention, le degré de mouvement relatif est une rotation autour de l'axe de référence, le barreau à aimantation permanente, les première et seconde pièces polaires et les divers entrefers étant annulaires, centrés sur l'axe de référence. Il s'agit d'un cas de figure particulièrement important en pratique ; néanmoins, en variante, l'invention s'applique au cas d'un moteur linéaire.
Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, les première et seconde pièces polaires sont séparées par ce second entrefer et par un troisième entrefer, ces second et troisième entrefers étant disposés axialement de part et d'autre du premier entrefer, le barreau à aimantation permanente ayant un sens d'aimantation perpendiculaire à l'axe de référence et étant disposé transversalement entre deux portions axialement centrales de la première pièce polaire et de la seconde pièce polaire, respectivement.
De la sorte, les première et seconde pièces polaires définissent conjointement avec le barreau à aimantation permanente une forme de 8.
Dans cette configuration, les lignes de flux magnétique générées par le barreau à aimantation permanente se partagent entre deux boucles magnétiques passant respectivement par le premier entrefer et, soit le deuxième, soit le troisième entrefer. On obtient ainsi une sorte de symétrie des boucles magnétiques de part et d'autre axialement de l'aimant et du premier entrefer.
Selon un aspect particulièrement intéressant de l'invention, au moins un bobinage entoure une portion de l'une des première et seconde pièces polaires, qui est traversée par les lignes de flux magnétique générées par le barreau à aimantation permanente. La circulation d'un courant dans ce bobinage génère un flux magnétique ajustable, ce qui permet de modifier à volonté l'amplitude du champ magnétique existant dans le second entrefer (voire dans le troisième entrefer si ii existe). Lorsque le second entrefer est un entrefer axial, on comprend qu'une telle modification de l'amplitude du- champ magnétique dans cet entrefer axial (même si il est unique) permet d'assurer une fonction de centrage magnétiquement actif parallèlement à l'axe de référence. Ainsi, le barreau à aimantation permanente et les pièces polaires contribuent à la réalisation d'une double fonction, de moteur électrique, d'une part, et de palier magnétique, d'autre part ; on obtient ainsi un «moteur-palier» ; cette mise en commun des éléments entre moteur et palier permet un progrès très sensible dans la miniaturisation d'ensembles devant assurer une fonction moteur et une fonction palier magnétique.
Une telle mise en commun va pourtant à encontre de la démarche habituelle de l'homme de métier qui consiste à chercher en principe à découpler les diverses fonctions magnétiques. Cette combinaison de fonctions peut induire une baisse de performances, qui peut toutefois rester compatible avec les besoins, surtout dans le cadre d'une démarche de miniaturisation.
Comme déjà indiqué ci-dessus, les deux pièces polaires définissent de préférence avec le barreau à aimantation permanente une forme en 8 ; en outre les second et troisième entrefers sont de préférence des entrefers axiaux, disposés axialement de part et d'autre de l'une des portions centrales précitées. On a ainsi deux entrefers axiaux dont la somme des épaisseurs est constante, ce qui facilite la régulation du centrage magnétiquement actif. Ces deux entrefers axiaux sont de préférence disposés de part et d'autre de la portion centrale de la première pièce polaire. Lorsque le mouvement relatif est un mouvement de rotation, la manière la plus simple d'implanter le bobinage est de le disposer autour d'une jupe radialement interne de l'une des deux pièces polaires. De manière préférée, cette jupe radialement interne fait partie de la seconde pièce polaire. Lorsque cette seconde pièce polaire est, de façon générale, disposée radialement à l'extérieur de la première pièce polaire, cette seconde pièce polaire comporte avantageusement, à l'effet précité, une portion transversale s'étendant vers l'axe puis un rebord cylindrique (formant la jupe précitée) disposé axialement en regard d'une tranche de la première pièce polaire ; c'est autour de ce rebord cylindrique que peut alors être disposé le bobinage servant au centrage magnétiquement actif selon l'axe de rotation. Bien entendu, lorsqu'une disposition symétrique est choisie, en 8, on peut prévoir deux bobinages à l'intérieur de chacune des boucles du 8.
De manière préférée, les brins électriquement conducteurs situés dans le premier entrefer sont connectés, par l'intermédiaire de brins transversaux traversant la deuxième pièce polaire, à des seconds brins axiaux situés, par rapport à cette seconde pièce polaire, à l'opposé du premier entrefer ; on assure ainsi que ces seconds brins axiaux, dans lesquels le courant ne circule pas dans le même sens que dans les brins situés dans l'entrefer (ces brins étant pourtant nécessaires pour assurer la connexion électrique, en série, des premiers brins axiaux situés dans l'entrefer) ne génèrent aucun effort parasite tendant à s'opposer à l'entraînement du moteur selon la ligne de mouvement relatif précitée. Les brins transversaux peuvent ainsi, selon une forme de réalisation, faire partie de spires, éventuellement regroupées en paquets distribués le long de la ligne de mouvement relatif, autour de portions parallèles à cette ligne, en matériau ferromagnétique, à l'intérieur de fenêtres disposées dans celle des parois de la seconde pièce polaire qui est parallèle à l'axe de référence.
Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un moteur électrique conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique du moteur de la figure 1 , sur laquelle sont visualisées des lignes de flux générées par un barreau à aimantation permanente, et des bobinages de centrage magnétique axial, - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un moteur-palier conforme à l'invention, pour lequel l'axe de référence de la figure 1 est un axe de rotation,
- la figure 4 est une vue schématique en perspective de la seconde pièce polaire du moteur-palier de la figure 3,
- la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'un autre moteur-palier similaire à celui des figures 3 et 4 a ceci près que les positions radiales des première et seconde pièces polaires ont été inversées ,
- la figure 6 est un graphique montrant l'allure des lignes de champ magnétique existant dans un moteur-palier conforme à l'invention, telles que définies par simulation, et
- la figure 7 est un graphique similaire correspondant à une autre configuration des centreurs et du barreau à aimantation permanente
La figure 1 représente de manière schématique un moteur électrique à courant continu, désigné par la référence générale 1 , comportant un premier corps A, et un second corps B ayant par rapport au premier corps un degré de mouvement relatif transversalement à un axe de référence Z-Z, ICI vertical Le premier corps A porte une première pièce polaire 11 séparée d'une seconde pièce polaire 12 par un premier entrefer 13 transversal à l'axe de référence Z-Z et s'étendant le long d'une ligne de mouvement relatif disposée transversalement à l'axe de référence (dans un plan perpendiculaire au plan de la feuille)
Entre les première et seconde pièces polaires 11 et 12 est disposé un barreau à aimantation permanente 14 solidaire du premier corps A, et bordant ce premier entrefer 13.
Dans le premier entrefer 13 s'étendent, parallèlement à l'axe de référence Z-Z, des brins électriquement conducteurs, tels que celui repéré par la référence 15, solidaires du second corps B.
Dans l'exemple considéré, le second corps B est représenté comme étant fixe, tandis que c'est le corps A qui est en mouvement par rapport à ce corps B. Il faut bien entendu comprendre que, en variante non représentée, ce peut être le corps A qui doit être considéré comme fixe et le corps B comme corps mobile.
Le degré de mouvement relatif peut être, selon les cas, soit un mouvement de translation selon une trajectoire située transversalement à l'axe Z-Z (perpendiculairement au plan du dessin), ce qui correspond au cas d'un moteur magnétique linéaire, soit un mouvement de rotation autour de l'axe Z-Z. La ligne de mouvement relatif indiquée ci-dessus ne peut pas, en réalité, être localisée avec précision. Ce n'est donc qu'à titre d'exemple que celle-ci est repérée par une croix désignée par la référence 100 à la figure 1 : cette croix doit être considérée comme étant l'intersection entre cette ligne de mouvement et le plan de la feuille ; cette ligne pourrait, au choix, être située plus bas ou plus haut que la croix portée sur cette figure 1.
Selon l'invention, la seconde pièce polaire 12 est portée par le second corps, et est longée par les brins électriquement conducteurs 15. Il y a donc un mouvement relatif entre les pièces polaires 11 et 12 qui, en combinaison avec le barreau à aimantation permanente 14, définissent l'entrefer ; d'autre part, les brins électriquement conducteurs disposés parallèlement à l'axe de référence sont fixes par rapport à l'une de ces pièces polaires, ici la pièce polaire 12.
En outre, les première et seconde pièces polaires 11 et 12 déterminent conjointement, non seulement le premier entrefer 13, mais au moins un second entrefer 16, voire un troisième entrefer 17, ces entrefers 16 et 17 étant distincts du premier entrefer 13 mais parallèles à celui-ci ; lorsque l'entrefer 13 est circulaire cette notion de parallélisme implique que les entrefers 16 et 17 sont coaxiaux à cet entrefer 13, c'est-à-dire que leur centre se trouve, comme celui de l'axe 13, sur l'axe Z-Z.
Par ailleurs, le barreau à aimantation permanente 14 a un sens d'aimantation qui, par rapport à l'axe de référence, reste constant sur toute sa longueur. En d'autres termes, ce sens d'aimantation qui, à la figure 1 est représenté orienté vers la droite, est orienté à l'opposé de l'axe de référence en tout point de cet barreau à aimantation permanente ; dans le cas d'un moteur rotatif, le barreau à aimantation permanente est un anneau dont l'aimantation a un sens constant par rapport à l'axe. Enfin, tous les brins électriquement conducteurs qui s'étendent dans le premier entrefer 13 sont connectés à une source électrique 150 de telle sorte que les courants qui y circulent ont, à tout instant, un même sens parallèle à cet axe de référence.
De manière préférée, les brins axiaux électriquement conducteurs 15 font partie de spires disposées globalement parallèlement à l'axe, c'est-à-dire qu'elles comportent, outre les brins radiaux 15 disposés à l'intérieur du premier entrefer 13, de seconds brins axiaux 20 servant à assurer le retour du courant d'un brin axial 15 à l'autre, grâce à des brins transversaux 21 et 22 (radiaux, si le mouvement relatif est une rotation). En fait, les lignes de flux qui circulent dans le premier entrefer 13 et qui atteignent la seconde pièce polaire 12 ne circulent pas nécessairement axialement vers les portions tranversales 12B et 12C. Elles ont en effet, du fait des brins radiaux 21 et 22 précités, à traverser un entrefer fixe nécessaire au passage des brins transversaux. Elles peuvent traverser ces entrefers fixes mais, sous réserve que les spires soient distribuées en paquets de dimension modérée le long de la ligne de mouvement relatif (voir figure 4), ces lignes de flux peuvent rencontrer une moindre résistance à circuler circonférentiellement dans la portion entourée par les spires en sorte de contourner ces entrefers fixes.
De manière préférée, les entrefers 16 et 17, ménagés entre les pièces polaires 11 et 12 en plus de l'entrefer radial 13, sont disposés axialement de part et d'autre de ce premier entrefer. Le barreau 14 à aimantation permanente est disposé, transversalement à l'axe Z-Z, entre deux portions axialement médianes ou centrales de la première pièce polaire 11 et de la seconde pièce polaire 12, respectivement. Cet aimant est disposé axialement entre les entrefers 16 et 17 précités. On observe qu'ainsi les pièces polaires 11 et 12 forment conjointement une sorte de 8 avec un circuit magnétique supérieur et un circuit magnétique inférieur (voir ci-dessous).
L'une des pièces polaires, ici la pièce polaire 12, a avantageusement une forme générale en C, à extrémités recourbées, c'est-à- dire que la pièce polaire 12 comporte une portion axiale, c'est-à-dire parallèle à l'axe Z-Z, repérée 12A, deux portions transversales 12B et 12C s'étendant transversalement à l'axe Z-Z à partir des extrémités axiales supérieure et inférieure de cette paroi axiale 12A, et deux rebords axiaux 12D et 12E s'étendant l'un vers l'autre à partir des extrémités libres de ces portions transversales 12B et 12C, en direction de l'autre pièce polaire, ici la pièce polaire 11.
De la sorte, les deux entrefers 16 et 17 sont des entrefers axiaux et se situent à une distance substantielle des brins 15. Au moins un bobinage, ici désigné sous la référence générale
18 (il y a même, dans l'exemple considéré, un deuxième bobinage 19 tout à fait similaire) est disposé autour d'une portion de la pièce polaire 12 ou 11 en sorte que la circulation d'un courant dans ce bobinage puisse générer une circulation de lignes de flux magnétique à l'intérieur de cette portion et donc dans le reste des portions polaires 11 et 12.
Lorsque l'axe Z-Z est un axe de rotation, ce bobinage 18 ou 19 est par exemple disposé autour d'une portion radialement interne de l'une des deux pièces polaires 11 et 12, ici autour des rebords axiaux 12D et 12E.
On peut observer que le moteur de la figure 1 admet généralement une symétrie autour d'un plan transversal horizontal, non représenté, passant au travers de l'aimant permanent 14.
La figure 2 représente des lignes de flux susceptibles de circuler dans les pièces polaires 11 et 12. On observe tout d'abord des lignes de flux générées par le barreau à aimantation permanente 14, qui circulent au travers de l'entrefer 13 vers la droite. Compte tenu de la configuration globalement symétrique, en 8, de l'ensemble des pièces polaires 11 et 12, ces lignes de flux se répartissent en deux boucles magnétiques : elles se partagent vers le haut et vers le bas jusqu'à circuler dans les portions transversales 12B et 12C respectivement, puis dans les rebords 12D et 12E de la pièce polaire 12. Ces lignes de flux traversent ensuite les entrefers axiaux 16 et 17, circulent dans la pièce polaire 11 et se rejoignent pour retraverser le barreau à aimantation permanente 14.
Lorsque les spires 15 sont le lieu d'une circulation de courant électrique, parallèlement à l'axe Z-Z compte tenu de la disposition axiale de ces spires, il y a une interaction avec le flux magnétique traversant le premier entrefer 13 qui se traduit par la génération d'un effort perpendiculaire au plan de la feuille, c'est-à-dire parallèle à la ligne de mouvement relatif 100. Lorsque le courant qui circule dans les brins 15 est orienté vers le haut, on obtient ainsi un effort s'appliquant aux brins 15 en sorte de les solliciter vers l'arrière du plan de la feuille. Par contre, une circulation de courant en sens inverse générerait un effort en direction de l'avant du plan de la feuille de la figure 2.
Bien entendu ce qui précède s'appliquerait à un moteur simplifié, ne comportant qu'une seule boucle, c'est-à-dire ne comportant par exemple que le premier entrefer 13, la partie haute de la portion axiale 12A, la portion 12B et le rebord 12D, le second entrefer 16 et une partie de la pièce polaire 11.
Lorsqu'un bobinage tel que le bobinage 18 a été mis en place, on comprend que l'application à ce dernier d'un courant électrique va se traduire par la génération de lignes de flux qui vont circuler dans une «grande» boucle magnétique (entourant les petites boucles) constituée par les pièces polaires 11 et 12, traversant les entrefers 16 et 17, sans traverser le premier entrefer 13. Bien entendu le sens de circulation de ces boucles dépend du sens du courant appliqué au bobinage 18 et/ou 19.
De la sorte, on peut, par un choix approprié du sens dans lequel un courant électrique circule dans les bobinages 18 et/ou 19, par combinaison avec le flux magnétique généré par l'aimant 14, modifier séparément le flux magnétique global existant dans l'un et l'autre des entrefers 16 et 17. Dans l'exemple de la figure 2, on comprend que le champ magnétique généré par le (ou les) bobinage(s) 18 et 19 s'ajoute au flux magnétique de l'aimant dans l'entrefer supérieur 16 tandis qu'il s'en retranche dans l'entrefer inférieur 17. On a donc, grâce à la disposition axiale des deux entrefers, et compte tenu de ce que ceux-ci se trouvent respectivement au-dessus et en- dessous du premier entrefer, une fonction de centrage magnétiquement actif parallèlement à l'axe Z-Z, et ce par simple ajout aux éléments participant à la fonction moteur d'un, voire deux, bobinage(s) 18 ou 19. Un tel centrage axial peut également être obtenu avec une seule boucle magnétique pour le moteur, sous réserve d'assurer le retour du flux du bobinage 18 ou 19.
De manière préférée, le centrage magnétique relatif entre les corps A et B, transversalement à l'axe de référence Z-Z et à la ligne de mouvement relatif 100, est assuré par un moyen indépendant (voir ci-dessous).
Il doit bien être compris que les positions relatives des pièces polaires 11 et 12 par rapport à l'axe de référence peuvent être inversées.
C'est ainsi que la structure générale des moteurs-paliers représentée aux figures 3, d'une part, et 5 d'autre part, se déduisent l'une de l'autre par inversion des positions relatives de ces pièces polaires par rapport à l'axe Z-Z.
Plus précisément, le moteur-palier désigné sous la référence 30 à la figure 3 a la même structure qu'à la figure 1 , étant toutefois précisé qu'il admet l'axe de référence Z-Z comme axe de rotation. La pièce polaire interne 31 , analogue à la pièce polaire 11 de la figure 1 , est disposée radialement à l'intérieur de la pièce polaire 32 correspondant à la pièce polaire 12 de la figure 1. Sur cette figure 3, les éléments analogues à ceux de la figure 1 sont désignés par des chiffres de référence qui se déduisent de ceux de la figure 1 par addition du chiffre 20. On retrouve ainsi une configuration générale avec des pièces polaires 31 et 32 précitées, un barreau à aimantation permanente 34, ici de forme annulaire et de sens radial d'aimantation constamment orienté à l'opposé de l'axe, ainsi que des bobinages annulaires 38 et 39 disposés autour de rebords axiaux 32D et 32E de la pièce polaire 32.
Le centrage radial des deux corps A et B est ici réalisé par des centreurs 45 et 46, du type décrit dans le document FR-2 732 734, c'est-à-dire deux centreurs magnétiques décalés axialement, le long de l'axe Z-Z, de part et d'autre du moteur-palier lui-même. Ces centreurs sont ici constitués chacun de deux couronnes à aimantation permanente respectivement solidaires des corps A et B. Ces couronnes (ce serait des paires de barreaux droits dans le cas d'un moteur droit) sont en regard transversalement à l'axe de référence, au travers d'entrefers transversaux, et ont des aimantations telles que ces couronnes (ou barreaux) ont tendance à se repousser. Ces couronnes sont ici de même sens axial d'aimantation.
En variante ces couronnes (ou barreaux) peuvent chacune être dédoublées en paires de couronnes (ou barreaux) à sens opposés d'aimantation.
A titre d'exemple de réalisation, on voit à la figure 4 que la seconde pièce polaire 42 comporte, dans sa paroi axiale, une série circonférentielle de fenêtres 43 dans lesquelles sont disposés des paquets de spires enroulées autour de noyaux ferromagnétiques (non représentés car masqués par les spires) traversant circonférentiellement ces fenêtres.
Le moteur-palier de la figure 5 est similaire à celui des figures 3 et 4, excepté une inversion des positions relatives des pièces polaires 51 et 52. C'est, ici, autour d'une portion radialement interne de la pièce polaire 52 qu'est disposé un bobinage 58 et/ou 59.
La figure 6 montre les lignes de flux définies par simulation pour un exemple de moteur-palier conforme à l'invention ; ce moteur est similaire à celui de la figure 5 (à part le sens de l'aimant) ce qui explique que cette figure 6 reprenne des numéros de référence de cette figure 5 (la géométrie des diverses pièces et des entrefers a été simplifiée, comme cela est courant dans ce type de simulations). Les lignes de flux correspondent aux seuls aimants. On a pu vérifier par calcul (cela était souhaité) que, pour la géométrie choisie, la raideur radiale des centreurs est supérieure à la raideur radiale divergente due à l'aimant 54.
On peut noter que certaines lignes de flux des centreurs « fuient » vers la partie axialement centrale du palier, sans passer par les entrefers 56 et 57 de centrage axial, ce qui perturbe ce centrage axial. Cela peut aisément être évité en inversant, soit le sens de l'aimant (en choisissant donc la configuration d'aimantation 65 + 66 + 54 de la figure 5) soit le sens axial de l'aimantation des couronnes constituant tes centreurs. Dans cette dernière configuration on obtient le graphique de la figure 7 oùle défaut précité n'apparaît plus. On peut noter que cette configuration optimale de la figure 7 se retrouve dans une variante de la figure 3 où le sens de l'aimant 34 serait inversé : dans les deux cas les lignes de flux magnétique du barreau central à aimantation permanente tendent bien, compte tenu du sens d'aimantation des centreurs, à se refermer au travers des entrefers, sans avoir tendance à passer au travers de ces entrefers. A cet égard, peu importe à la figure 7 ou dans la variante précitée de la figure 3 que l'axe de référence soit à gauche ou à droite.
Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur électrique ayant un axe de référence (Z-Z) et comportant :
- un premier corps (A) portant une première pièce polaire (11 , 31 , 51), - un second corps (B) ayant, par rapport au premier corps, un degré de mouvement relatif transversalement à cet axe de référence (Z-Z),
- une seconde pièce polaire (12, 32, 52) séparée de la première pièce polaire par un premier entrefer (13, 33, 53) transversal à l'axe de référence et s'étendant le long d'une ligne de mouvement relatif (100) disposée transversalement à l'axe de référence,
- un barreau à aimantation (14, 34, 54) permanente solidaire du premier corps, s'étendant parallèlement au premier entrefer et générant des lignes de flux traversant ce premier entrefer,
- des brins électriquement conducteurs (15, 35, 55) solidaires du second corps, s'étendant dans ce premier entrefer parallèlement à l'axe de référence, et connectés à une source électrique (150), caractérisé en ce que :
- le second corps (3) porte la seconde pièce polaire (12, 32, 52), laquelle est longée par les brins électriquement conducteurs (15, 35, 55) et délimite avec la première pièce polaire ledit premier entrefer (16, 17, 36, 37, 56, 57) et, en outre, un second entrefer distinct du premier entrefer mais parallèle à celui-ci,
- ce barreau à aimantation permanente (14, 34, 54) a un sens d'aimantation qui reste constant sur toute sa longueur,
- tous les brins électriquement conducteurs qui s'étendent dans le premier entrefer sont connectés à ladite source électrique en sorte que les courants qui y circulent ont, à tout instant, un même sens parallèle à cet axe de référence.
2. Moteur électrique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le degré de mouvement relatif est une rotation autour de l'axe de référence (Z-Z), le barreau à aimantation permanente (34, 54), les première et seconde pièces polaires (31 , 32, 51 , 52) et les divers entrefers (33, 53) étant annulaires, centrés sur l'axe de référence.
3. Moteur électrique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les première et seconde pièces polaires sont séparées par ce second entrefer (16, 36, 56) et par un troisième entrefer (17, 37, 57), ces second et troisième entrefers étant disposés axialement de part et d'autre du premier entrefer, le barreau à aimantation permanente (14, 34 54) ayant un sens d'aimantation perpendiculaire à l'axe de référence et étant disposé transversalement entre deux portions axialement centrales de la première pièce polaire et de la seconde pièce polaire, respectivement.
4. Moteur électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde pièce polaire (12, 32, 52) a la forme générale d'un C aux extrémités recourbées.
5. Moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les second et troisième entrefers (16, 17, 36, 37, 56, 57) sont des entrefers axiaux.
6. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un bobinage (18, 19, 38, 39, 58, 59) entoure une portion de l'une des première et seconde pièces polaires, traversé par les lignes de flux magnétique générées par le barreau à aimantation permanente.
7. Moteur selon la revendication 1 à 6, caractérisé en ce que les brins axiaux (15, 35, 55) situés dans le premier entrefer sont reliés par des brins transversaux (21 , 22, 41 , 42, 61 , 62) traversant la seconde pièce polaire à de seconds brins axiaux (20, 40, 60).
8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ce moteur comporte des centreurs magnétiques (45, 46, 68, 66) pour le centrage transversal des premier et second corps.
9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque centreur comporte des barreaux à aimantation permanente de même sens axial, disposés transversalement l'un vis à vis de l'autre.
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