WO2015004341A1 - Actionneur électromagnétique polyentrefers à aimants permanents et éléments de bobinage sans fer - Google Patents

Actionneur électromagnétique polyentrefers à aimants permanents et éléments de bobinage sans fer Download PDF

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WO2015004341A1
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WO
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winding
elements
actuator
magnets
electromagnetic actuator
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PCT/FR2014/000166
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English (en)
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Vasile MIHAILA
Romain RAVAUD
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Whylot Sas
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K26/00—Machines adapted to function as torque motors, i.e. to exert a torque when stalled
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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
    • H02K41/035—DC motors; Unipolar motors
    • H02K41/0352—Unipolar motors
    • H02K41/0354—Lorentz force motors, e.g. voice coil motors
    • H02K41/0358—Lorentz force motors, e.g. voice coil motors moving along a curvilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Definitions

  • Electromagnetic actuator polyent refers with permanent magnets and coil elements without iron
  • the present invention relates to an electromagnetic polycentric actuator with permanent magnets and ironless coil elements. More particularly, this electromagnetic actuator has an angular operating range, the permanent magnets and the winding elements not being distributed in complete revolution in the actuator.
  • electromagnetic motors or generatrices with permanent magnets which comprise at least one rotor and at least one stator.
  • Such electromagnetic motors or generators polyentrefers, so at least a double gap, may comprise at least two rotors enclosing at least one stator or at least two stators flanking at least one rotor. In each of these cases, an air gap is defined between each of said at least two rotors or two stators respectively flanking said at least one stator or rotor.
  • At least one series of permanent magnets is carried by one or more permanent magnet elements, this or these permanent magnet elements being one or more rotors or respectively one or stators, in practice frequently one or more rotors, although this is not limiting.
  • At least one winding is carried by one or more winding elements, this or these winding elements forming one or more stators when the one or more permanent magnet elements form one or more rotors or one or more rotors when the or the permanent magnet elements form stators.
  • the winding element or elements are frequently carried by one or more stators.
  • a particular problem is posed by the safety of the actuation of certain components, this in particular in a means of transport and more particularly in an aircraft. What is called a redundancy of the supply or actuation means of certain components is performed.
  • Redundancy is one of the solutions considered for the compensation of any failure in the operation of a system providing thus a protection of the functioning of the system described as "fault tolerance".
  • the principle of redundancy lies in the duplication or multiplication of certain components, components, functions, subsystems, or even the system itself, in order to ensure a given mission in the presence of failures.
  • these electric actuators frequently include iron, the iron may be constituted by the winding support means or a central iron core for channeling the magnetic field passing through the winding element. This makes the actuators heavy by the presence of iron.
  • the presence of iron also has the disadvantage for the electromagnetic actuator to have off a residual torque called detent torque.
  • This relaxing torque also called cogging torque in English, is due to the magnetic interaction between the permanent magnets of or elements with permanent magnets, forming for example the rotor or rotors, and the iron present in the winding element (s). , forming for example the stator or stators, the iron being frequently used for producing the notches of the winding support means. This torque is undesirable for the proper functioning of each electromagnetic actuator.
  • iron losses can be of two types.
  • the first type concerns hysteresis losses due to the permanent magnetization of the magnetic path.
  • the second type relates to eddy current losses produced by the rotating magnetic field. These losses lead to a heating of the entire electromagnetic actuator as well as to torque losses due to a lower current available for the operation of the actuator, especially at high operating speeds.
  • the role of the iron element or elements in the stator is to allow looping of the created magnetic field, which has the advantage of channeling the magnetic field and improves the efficiency of the engine.
  • US-A-3,924,146 discloses an electromagnetic actuator with multiple air gaps and operating angular range, this actuator comprising at least three magnet elements arranged at a distance from each other and each comprising a series of permanent magnets, a winding element carrying at least one winding being framed between each pair of successive magnet elements, an integer number of winding elements being equal to the integer number of magnet elements minus one, the winding elements and the elements of magnets not making a complete revolution in the actuator, these arcs being limited according to the angular operating range of the actuator, an air gap being defined between each of said magnet elements and the winding element thus framed, each element with permanent magnets forming part of a rotor or a stator respective, while each winding element is part of a stator when each of the permanent magnet elements is part of a rotor or, respectively, is part of a rotor when each of the permanent magnet elements is part of a stator , each of the winding elements comprising at least one means for supporting said at least one winding, the magnet
  • the problem underlying the present invention is, on the one hand, to allow adaptation of the actuator to all operating conditions by allowing it in particular to play the role of redundant system by replacing several electromagnetic actuators provided for the actuation of the same function and, secondly, to reduce the trigger torque that is inherent in such an electromagnetic actuator.
  • an electromagnetic actuator with multiple air gaps and operating angular range, this actuator comprising at least three magnet elements arranged at a distance from each other and each comprising a series of permanent magnets, a winding element carrying at least one winding being framed between each pair of successive magnet elements, an integer number of winding elements being equal to the integer number of magnet elements minus one, the winding elements and the elements of magnets not making a complete revolution in the actuator, these arcs being limited according to the angular operating range of the actuator, an air gap being defined between each of said magnet elements and the winding element thus framed, each element with permanent magnets forming part of a respective rotor or stator, while each winding element part of a stator when each of the permanent magnet elements is part of a rotor or, respectively, is part of a rotor when each of the permanent magnet elements is part of a stator, each of the winding elements comprising at least means for supporting said at least one winding, the magnet elements and the winding
  • Such a direct drive actuator replaces the combination of a high speed motor and a gearbox.
  • Such an actuator provides a redundancy of the control means of a function, for example by increasing the electrical intensity of some of the winding elements to compensate for the failure of one or more winding elements.
  • Such an actuator allows the grouping of several actuators into one and reduce the weight of the redundant actuating system and its bulk.
  • the fact of multiplying the air gaps makes it possible to obtain a large couple, this in direct drive.
  • the torque provided by this actuator is adjustable since the supply of each winding element or a group of winding elements is respectively specific to the element or to the group.
  • the control system can detect the failure of a winding element or winding group and feed at a higher intensity. strong the other winding elements or winding group to compensate for this failure. For a function that does not require electrical power important, some of the winding elements can also be kept unpowered.
  • control system may increase the electrical intensity supplied to or all of the winding elements if it is found necessary for the proper operation of the actuator. There is therefore a large capacity of adaptation of such an actuator to the required operating conditions.
  • control system can modify the power parameters of the winding elements so that a force feedback is perceptible by the user acting on the actuator, which gives him information. on the element controlled by the actuator.
  • the invention further comprises at least any of the following:
  • said at least one support means has a tooth or notch for partially maintaining said at least one winding.
  • the actuator is supplied with polyphase current, each winding element having winding groups fed respectively by a phase of the current, each winding being mounted on a respective tooth without overlap between the coils fed by a different respective phase.
  • said at least one support means is in the form of a ring or a flat ring.
  • the support means of a winding element is made of plastic material, composite, ceramic or glass.
  • said at least one series of permanent magnets carried by one or more permanent magnet elements has its adjacent magnets mounted with their inverted polarity.
  • said at least one series of permanent magnets carried by one or more permanent magnet elements has its adjacent magnets mounted in a Halbach structure.
  • the permanent magnet element having its adjacent magnets mounted according to a Halbach structure is the innermost element or the most external to the actuator, the magnets establishing an increased magnetic field on the side facing the associated winding element , while the magnetic field is decreased or canceled on its opposite side to the winding element.
  • At least the permanent magnets of a series of permanent magnets are in the form of tiles or pavers.
  • At least one permanent magnet element has housings respectively receiving a permanent magnet of said at least one series of magnets which it carries, this permanent magnet having a thickness substantially greater than or equal to that of the housing.
  • the permanent magnets of an element or elements with permanent magnets are chosen from ferrite magnets, rare-earth-based magnets such as neodymium-iron-boron magnets or samarium cobalt magnets, magnets based on aluminum, nickel and cobalt, with or without thermoplastic binder.
  • One or permanent magnet elements do not contain iron at least on the passage of the emitted magnetic field.
  • a winding element or elements are covered or previously provided with a protective hoop at least on one or sides turned respectively to a permanent magnet element.
  • the winding elements form a respective stator and the permanent magnet elements form a respective rotor.
  • the actuator is axial, radial, transverse or hybrid.
  • the winding elements are combined into at least two respective groups, each group being fed separately from the other group or groups.
  • the invention also relates to a system comprising at least one actuator providing a redundant action of the actuation of a function, characterized in that it comprises at least one such electromagnetic actuator.
  • a control unit which has means for receiving real-time operating data of the actuator and means for storing optimal operating data of the actuator, the control unit presents data of modulating the respective power supply of each winding element or group of winding elements so that the real-time operating data corresponds to the optimum data.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of a cross section of a first embodiment of a radial flux polyacross actuator according to the present invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of a cross-section of a second embodiment of a radial flow polycarbonate actuator according to the present invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a cross-section of a third embodiment of a radial flow polycarbonate actuator according to the present invention.
  • an electromagnetic actuator 1 with an angular operating range with multiple air gaps 4, this actuator 1 comprising at least three magnet elements 2 arranged at a distance from each other and each comprising a series of permanent magnets 2a, 2b.
  • the actuator 1 has a plurality of winding elements 3 carrying at least one winding 3a, 3b, 3c, each of the winding elements 3 being framed by two successive magnet elements 2, an air gap 4 existing between each winding element 3 and one of the two magnet elements 2 which surround it.
  • the windings 3a, 3b, 3c are differentiated by a specific symbol, namely respectively circle, dashed lines and triangle.
  • FIGS. 1 and 2 only one magnet element among thirteen magnet elements is referenced 2. Similarly, only one of twelve winding elements is referenced 3 and only one air gap is referenced 4 out of twenty four gaps between each winding element 3 and one of the two magnets 2 which surround it. These references, however, apply to all elements or gaps.
  • the given numbers of magnet elements 2, air gaps 4 and winding elements 3 are not limiting.
  • Each permanent magnet element 2 is part of a respective rotor or stator, while each winding element 3 is part of a stator when each of the permanent magnet elements 2 is part of a rotor or, respectively, is part of a rotor when each of the permanent magnet elements 2 is part of a stator. Most frequently, each winding element 3 is part of a respective stator and each permanent magnet element 2 is part of a rotor, which is not limiting.
  • Each winding element 3 therefore carries at least one framed winding between each pair of successive magnet elements 2, an integer number of winding elements 3 being equal to the integer number of magnet elements 2 minus one, the winding elements 3 and the magnet elements 2 do not make a complete revolution in the actuator, these arcs being limited according to the angular range of operation of the actuator.
  • each winding element 3 forms a stator of the actuator 1 due to the presence of electrical connections supplying the coils 3a, 3b, 3c. It is not excluded, however, that the winding elements 3 each form a rotor of the actuator 1.
  • the electrical connection may take another form, for example by being in continuous friction between a conductive element carried by the winding element 3 and a conductive fixed element during the rotation of the rotor then formed by the winding element 3.
  • Each winding element 3 and each magnet element 2 advantageously have a circular arc shape, the innermost arcs having a greater length than the outermost arcs of circle, their length decreasing as a function of their proximity. from the periphery of the actuator.
  • winding elements 3 and the magnet elements 2 do not make a complete revolution in the actuator, these arcs being limited according to the angular operating range of the actuator 1.
  • This range can be arbitrary for example between a few degrees and less than 360 °, for example +/- 15 ° which is not limiting.
  • the magnets 2a, 2b arranged on the innermost magnet elements are smaller than the magnets disposed on the outermost magnet elements, their increasing size increasing their distance from the center of the actuator 1 increases. It is the same for the windings 3a, 3b, 3c.
  • the arc formed by the innermost magnet element comprises twenty magnets while the arc formed by the outermost magnets element comprises four magnets. It is the same for the winding elements 3.
  • the length of an arc constituted by a winding element 3 interposed between two magnet elements 2 is greater than that of the circular arcs formed by the two associated magnet elements 2, to allow their rotation in the angular range.
  • the magnet elements 2 are thus in contact with at least one winding element 3 during its rotation in the angular range.
  • the magnet elements 2, then as a rotor, can therefore pivot with respect to the coil elements 3, then as a stator, in the operating range of the actuator by reaching a respective end of the associated winding elements 3.
  • Each of the winding elements 3 comprises at least one means for supporting at least one winding 3a, 3b, 3c.
  • it shows three different windings 3a, 3b, 3c. Only one group of windings of a winding element 3 has been referenced 3a, 3b, 3c in FIGS. 1 and 2, but this is valid for all the windings.
  • the electromagnetic actuator 1 is distinguished in that the supply of each winding element 3 or a group of winding elements 3 is respectively clean to the element 3 or the group and that the support means of at least one winding element 3 does not contain iron, the magnets 2a, 2b of the magnet elements 2 the most internal to the actuator 1 being smaller than the magnets 2a, 2b the outermost of the magnet elements 2 and the length of a circular arc formed by a winding element 3 interposed between two magnet elements 2 being larger than that of the arcs formed by the two associated magnet elements 2.
  • said at least one support means has teeth or notches for partially maintaining said at least one winding 3a, 3b, 3c.
  • each winding element 3 has groups of coils, each group being fed respectively by a phase of the current.
  • the polyphase current is here shown three-phase which is not limiting.
  • the three-phase current is distributed according to the following references: a +, c-, b +, a-, c +, b-. This results in an overlap of phases.
  • the coils 3a, 3b, 3c with this type of winding can be difficult to manufacture.
  • the three-phase current is distributed in the following manner: a +, a-, c +, c- b + b-, as the references indicate.
  • Each coil 3a, 3b, 3c can be mounted on a respective tooth without overlap between the coils 3a, 3b, 3c fed by different phases. The mounting of the coils 3a, 3b, 3c on the winding element 3 is facilitated.
  • the electromagnetic actuator 1 is radial flow, which is not limiting the actuator may be axial flow or in a combination of these two flows.
  • the permanent magnet elements 2 and the winding elements 3 may be in the form of portions of concentric rings or rings arranged in the same plane and the permanent magnets 2a, 2b have a bent shape curved according to the curvature of the permanent magnet element 2 associated. This is not limiting, the magnets can be rectangular or square. These permanent magnets 2a, 2b may have a thickness or be in the form of tiles.
  • the support means of each winding element 3 does not contain iron. This is particularly valid for the holding means of each winding 3a, 3b, 3c, these holding means being provided on the support means and may be in the form of teeth or notches.
  • Each winding element 3 is electrically powered by electrical connections.
  • the winding elements 3 can be joined into at least two respective groups, each group being supplied separately from the other group or groups.
  • a quadruplex electromagnetic actuator 1 With reference to FIGS. 1 and 2 in which twelve winding elements 3 are provided, four groups of three winding elements 3 may be provided, each of the groups being supplied separately. Each group is powered separately via a specific inverter, which allows for four separate power supplies and offers redundancy possibilities.
  • the electromagnetic actuator 1 can replace several electromagnetic actuators providing redundancy for said system.
  • the permanent magnet elements 2 have their magnets 2a, 2b adjacent to each other while being mounted with their polarity reversed.
  • the one or more sets of permanent magnets 2a, 2b of one or more permanent magnet members may have their adjacent magnets mounted in a Halbach structure. It is also possible to combine a Halbach structure for at least one of the magnet elements 2 of the actuator 1 with a magnet structure mounted with their polarity inverted for other magnet elements 2 of the same actuator 1.
  • a Halbach structure consists of a particular arrangement of permanent magnets 2a, 2b which makes it possible to increase the magnetic field on one side of the series of permanent magnets while the magnetic field on the other side of the series is substantially decreased. canceled.
  • At least one permanent magnet element 2 most internal or external to the actuator 1, the magnets 2a, 2b of said at least one permanent magnet element 2 being mounted according to a Halbach structure and establishing an increased magnetic field on the side facing the associated winding element 3, while the magnetic field is decreased or canceled on its opposite side to the winding element 3.
  • the magnets 2a, 2b of said at least one permanent magnet element 2 being mounted according to a Halbach structure and establishing an increased magnetic field on the side facing the associated winding element 3, while the magnetic field is decreased or canceled on its opposite side to the winding element 3.
  • At least one permanent magnet element 2 may have housings respectively receiving a permanent magnet 2a, 2b of said at least one series of magnets that it carries.
  • Permanent magnets 2a, 2b are advantageously glued in their housing, for example at their four corners when they are square or rectangular or with a curved portion in an arc.
  • the permanent magnet 2a, 2b associated with a housing has a thickness substantially greater than or equal to that of the housing.
  • the fact that the permanent magnet elements 2 have such housings makes it possible to guarantee the cohesion between the magnets 2a, 2b and the permanent magnet element 2, in particular when each permanent magnet element 2 serves as a rotor for the actuator 1 , the high speed of rotation of each permanent magnet element 2 can cause the detachment of the magnets 2a, 2b, in particular by centrifugal force.
  • Such housings make it possible to avoid a coating or shrinking operation of the permanent magnet elements 2, an operation which is expensive and time-consuming, since the elements 2 must frequently be placed in an oven for a longer or shorter period of time.
  • housings can be applied to all embodiments of the present invention. These housings can be obtained by various methods, for example by removal of material by machining or electroerosion or during the molding of each magnet element 2 in a mold having appropriate shapes to make the housing.
  • the actuator 1 is composed of eleven arcs of magnets forming the magnet elements 2 and fourteen arcs forming the winding elements 3, a single magnet element 2 and a single winding element 3 being referenced in this figure.
  • the actuator 1 is divided into three parts with a different number of pole pairs for each part, which makes it possible to increase the performance of the actuator 1.
  • the first part is composed of four circular arcs of winding elements located outside the actuator with a magnet element disposed between two winding elements, so for this first part three magnets elements.
  • the first three outermost arcs of magnet elements comprise eight magnets for each arc of a circle.
  • the second part is composed of six circular arcs of winding elements located in the middle of the actuator 1 with magnet elements between them.
  • the third part is composed of four circular arcs of winding elements located inside the actuator with magnet elements between them.
  • each winding element of the actuator 1 the coils are mounted on tooth.
  • the advantages of tooth coils over conventional coils for which the heads of different coils intersect are to be easier to manufacture with automatic coils.
  • the coils on tooth allow a higher filling factor and lower Joule losses.
  • FIG 3 there is shown a fixed housing 5 connecting the winding elements 3 between them and the movable housing 6 connecting the magnet elements 2 between them.
  • the movable housing 6 is mounted on a central pivot 7 at the center of the arcs of the circle relative to the fixed housing 5.
  • the arcs of circle forming the winding elements can be extended to the wall of the fixed housing 5 by a layer of the resin .
  • the permanent magnets 2a, 2b of each permanent magnet element 2 may be chosen from ferrite magnets, rare earth magnets such as neodymium-iron-boron magnets ( NdFeB) or samarium cobalt magnets (SmCo), magnets based on aluminum, nickel and cobalt (AINiCo), with or without thermoplastic binder.
  • rare earth magnets such as neodymium-iron-boron magnets ( NdFeB) or samarium cobalt magnets (SmCo)
  • NdFeB neodymium-iron-boron magnets
  • SmCo samarium cobalt magnets
  • AINiCo nickel and cobalt
  • the permanent magnet elements 2 do not contain iron at least on the passage of the emitted magnetic field. This makes it possible to lighten the total weight of the actuator 1 and to minimize its iron losses.
  • the winding elements 3 may be covered with a protective hoop at least on one or both sides turned respectively towards a magnet element 2 permanent.
  • This Protective band may advantageously be formed by a heat-shrinkable tape, for example a draping composite material based on glass fibers, this without this being limiting.
  • the windings 3a, 3b, 3c of the winding elements 3 may be conventional windings consisting of a good conductor wire wound on a support means, this support means may have teeth spacing the coils or helping with their positioning.
  • the winding or windings are advantageously made of copper or aluminum wire.
  • the support means is based on a material containing no iron and be for example plastic, composite, glass. This support means may advantageously be flexible and elastically deformable.
  • the means for supporting the winding or windings 3a, 3b, 3c provided for a winding element 3 may be in the form of a ring or a flat ring comprising a series of at least partial reception means of at least one winding 3a, 3b, 3c that it supports.
  • These receiving means may be in the form of notches arranged in the plane of the ring or the flat ring formed by the support means. These notches, advantageously radial, are therefore likely to cooperate with the coils 3a, 3b, 3c for their positioning on the support means.
  • the receiving means for example in the form of notches, advantageously face the associated permanent magnet elements 2.
  • a support means in the form of at least one crown portion or a ring is more particularly suitable for an electromagnetic radial flow actuator 1. It is also possible that the support means form a ring or a continuous ring, the winding elements 3 being present only on a portion of the ring or crown.
  • This support means may also be substantially in the form of a disc with at least one winding 3a, 3b, 3c wound around. This disc advantageously has a recess in its middle part. Such a support means is then more particularly suitable for an axial flow motor or electromagnetic generator.
  • the support means may be formed of one or more elements. In the case of several elements, these elements are thin and superimposed or wound on each other, for example in the form of sheets, the support means then being laminated material.
  • the sheets are advantageously wound flat around the circular axis of symmetry of the support means.
  • the passage of the current in the at least one winding 3a, 3b, 3c positioned on the support means creates the induced magnetic field of the actuator.
  • Said at least one winding 3a, 3b, 3c can then be embedded in any insulating binder, for example a resin, to ensure good electromagnetic insulation thereof.
  • such an electromagnetic actuator 1 may be axial axial flow, radial, that is to say tangential to the axis of rotation or perpendicular to the axis of rotation of the actuator 1, respectively.
  • a transverse or hybrid flow actuator the flow being, for example, both perpendicular and tangential to the axis of rotation of the actuator 1.
  • the permanent magnet elements 2 may each be in the form of a crown portion, this crown may also be complete but with a remaining portion not carrying a magnet element 2.
  • Each pair of adjacent magnet elements 2 interpose a winding element 3 between them.
  • the coil elements 3 can also be advantageously each in the form of a respective crown portion, this ring being able to be complete but with a portion remaining without winding element 3.
  • An air gap 4 is left between each winding element 3 and each of the two magnet elements 2 associated therewith.
  • All the magnet elements 2 can be connected to a first disk covering them on one side of the actuator 1, this disc not being shown in the figures.
  • the winding elements 3 can be joined to a second disk covering them.
  • the discs thus insert between them the magnet elements 2 and the coil elements 3 advantageously forming a closed assembly, this for example by a rim provided at the periphery of at least one disc and substantially perpendicular to the plane of the disc while leaving a gap between the two discs.
  • One of the disks can rotate and form the rotor of the actuator 1, for example that connected to the magnet elements 2 while the other disk can be fixed and form the stator of the actuator.
  • Each of the disks can be extended by one axis, this axis being fixed when it is associated with the stator disk and the other rotating when it is associated with the rotor.
  • each of the winding elements and each of the magnet elements may advantageously be in the form of a disc centered on the central axis of the actuator, this axis advantageously being the drive shaft of the actuator. the actuator. All these disks are concentric and arranged axially one after the other with respect to the central axis of the actuator.
  • the coil elements that can form the stators of the actuator are connected to the drive shaft with the possibility of rotation of the drive shaft relative to them, for example by inserting a bearing between the drive shaft. and each stator.
  • the permanent magnet elements in the form of discs can be connected to each other at their outer periphery by a cylindrical rotor shape and enclosing them.
  • the rotor can drive the axis of the actuator.
  • the cylindrical shape which can also envelop the winding elements, is connected to the drive shaft, preferably at each of its ends.
  • the cylindrical shape can thus drive the drive shaft by fulfilling its rotor function.
  • the magnets of each of at least one series of magnets on a permanent magnet element are oriented in a similar manner for all permanent magnet elements. This orientation is advantageously parallel to the drive shaft.
  • Such an actuator is advantageously part of a system comprising at least one actuator providing a redundant action of the actuation of a function. This finds a particular application but non-limiting in the aeronautics where the redundancy of the actuating means plays a crucial role.
  • control unit which has means for receiving the real-time operating data of the actuator and means for storing optimal operating data of the actuator.
  • the control unit presents modulation data of the respective power supply of each winding element or group of winding elements so that the real-time operating data corresponds to the optimum data.

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Abstract

La présente invention porte sur un actionneur (1 ) électromagnétique à plage angulaire de fonctionnement à multiples entrefers (4), cet actionneur (1 ) comportant au moins trois éléments à aimants (2) disposés à distance les uns des autres et comprenant chacun une série d'aimants permanents (2a, 2b), un élément de bobinage (3) portant au moins un bobinage (3a, 3b, 3c) étant encadré par chaque paire d'éléments à aimants (2) successifs. L'actionneur (1 ) est caractérisé en ce que l'alimentation de chaque élément de bobinage (3) ou d'un groupe d'éléments de bobinage (3) est propre respectivement à l'élément (3) ou au groupe et que le moyen de support d'au moins un élément de bobinage (3) ne contient pas de fer. Applications dans le domaine des moteurs ou génératrices électromagnétiques.

Description

"Actionneur électromagnétique polyentrefers à aimants permanents et éléments de bobinage sans fer"
La présente invention porte sur un actionneur électromagnétique polyentrefers à aimants permanents et éléments de bobinage sans fer. Plus particulièrement, cet actionneur électromagnétique présente une plage angulaire de fonctionnement, les aimants permanents et les éléments de bobinage n'étant pas répartis en complète révolution dans l'actionneur.
II est connu des moteurs ou des génératrices électromagnétiques à aimants permanents qui comprennent au moins un rotor et au moins un stator. De tels moteurs ou génératrices électromagnétiques polyentrefers, donc à au moins un double entrefer, peuvent comporter au moins deux rotors encadrant au moins un stator ou au moins deux stators encadrant au moins un rotor. Dans chacun de ces cas, un entrefer est défini entre chacun desdits au moins deux rotors ou deux stators encadrant respectivement ledit au moins un stator ou rotor.
Au moins une série d'aimants permanents est portée par un ou des éléments à aimants permanents, cet ou ces éléments à aimants permanents étant un ou des rotors ou respectivement un ou des stators, dans la pratique fréquemment un ou des rotors, bien que cela ne soit pas limitatif.
En complément, au moins un bobinage est porté par un ou des éléments de bobinage, cet ou ces éléments de bobinage formant un ou des stators quand le ou les éléments à aimants permanents forment un ou des rotors ou respectivement un ou des rotors quand le ou les éléments à aimants permanents forment des stators. Dans la pratique, l'élément ou les éléments de bobinage sont fréquemment portés par un ou des stators.
Un problème particulier est posé par la sécurité de l'actionnement de certains composants, ceci notamment dans un moyen de transport et plus particulièrement dans un avion. Il est effectué ce qui est appelé une redondance des moyens d'alimentation ou d'actionnement de certains composants.
La redondance est une des solutions envisagées pour la compensation d'une défaillance quelconque dans le fonctionnement d'un système procurant ainsi une protection du fonctionnement du système qualifiée de « tolérance aux fautes ». Le principe de la redondance réside dans la duplication ou la multiplication de certains composants, constituants, fonctions, sous-systèmes, voire du système lui même, dans le but d'assurer une mission donnée en présence de défaillances.
Dans le cas spécifique des actionneurs électriques, ceci conduit à multiplier les actionneurs dédiés à une fonction. Il est donc prévu de doubler, tripler voire quadrupler les actionneurs électriques pour la même fonction. Ces actionneurs prennent de la place et ceci est particulièrement désavantageux pour un moyen de transport qui se caractérise par un manque de place endémique pour tous les éléments montés à son bord, ces éléments devant prendre le moins de place possible.
De plus la présence de plusieurs actionneurs électriques pour une même fonction accroît le poids de l'ensemble d'actionnement, ce qui est aussi particulièrement désavantageux pour un moyen de transport.
Enfin, ces actionneurs électriques comprennent fréquemment du fer, le fer pouvant être constitué par le moyen de support du bobinage ou un noyau de fer central pour la canalisation du champ magnétique passant à travers l'élément de bobinage. Ceci rend les actionneurs lourds de par la présence de fer.
La présence de fer présente aussi le désavantage pour l'actionneur électromagnétique de posséder hors tension un couple résiduel appelé couple de détente. Ce couple de détente, appelé aussi cogging torque en anglais, est dû à l'interaction magnétique entre les aimants permanents de ou des éléments à aimants permanents, formant par exemple le ou les rotors, et le fer présent dans le ou les éléments de bobinage, formant par exemple le ou les stators, le fer étant fréquemment utilisé pour la réalisation des encoches du moyen de support du bobinage. Ce couple est indésirable pour le bon fonctionnement de chaque actionneur électromagnétique.
Un dernier désavantage de la présence de fer dans l'élément ou les éléments de bobinage d'un actionneur électromagnétique est de créer ce qui est appelé des pertes fer. Ces pertes fer peuvent être de deux types. Le premier type concerne les pertes par hystérésis du fait de la magnétisation permanente du chemin magnétique. Le second type concerne les pertes par courants de Foucault produits par le champ magnétique tournant. Ces pertes conduisent à un échauffement de l'ensemble de l'actionneur électromagnétique de même qu'à des pertes de couple dues à une plus faible intensité de courant disponible pour le fonctionnement de l'actionneur, ceci notamment à des vitesses élevées de fonctionnement.
Plus récemment, il a été envisagé de prévoir un stator sans fer pour un moteur électromagnétique, ceci uniquement pour un tel moteur présentant un seul entrefer. L'intérêt d'un actionneur sans fer serait d'éliminer les pertes par courant de Foucault et hystérésis magnétique, ces pertes se produisant à cause du fer contenu dans le stator.
Cependant, le rôle de l'élément ou des éléments en fer dans le stator est de permettre un rebouclage du champ magnétique créé, ce qui présente l'avantage de canaliser le champ magnétique et améliore le rendement du moteur.
Dans le cas spécifique de l'actionneur présentant au moins un stator sans fer, il convient donc de compenser cet inconvénient. Cependant, pour un stator ne comprenant pas de fer, un équivalent partiel du rebouclage du champ magnétique ne peut être obtenu par n'importe quel bobinage.
Comme la présence de fer et notamment d'un noyau de fer dans le stator semblait requise pour la canalisation du champ magnétique crée lors du fonctionnement de l'actionneur, il existe un fort préjugé contre la suppression d'un ou d'éléments en fer dans le ou les stators d'un actionneur, notamment du noyau de fer associé à l'élément de support d'au moins un bobinage de ce stator.
Le document US-A- 3 924 146 décrit un actionneur électromagnétique à multiples entrefers et à plage angulaire de fonctionnement, cet actionneur comportant au moins trois éléments à aimants disposés à distance les uns des autres et comprenant chacun une série d'aimants permanents, un élément de bobinage portant au moins un bobinage étant encadré entre chaque paire d'éléments à aimants successifs, un nombre entier d'éléments de bobinage étant égal au nombre entier d'éléments à aimants moins un, les éléments de bobinage et les éléments d'aimants ne faisant pas une révolution complète dans l'actionneur, ces arcs étant limités en fonction de la plage angulaire de fonctionnement de l'actionneur, un entrefer étant défini entre chacun desdits éléments à aimants et l'élément de bobinage ainsi encadré, chaque élément à aimants permanents faisant partie d'un rotor ou d'un stator respectif, tandis que chaque élément de bobinage fait partie d'un stator quand chacun des éléments à aimants permanents fait partie d'un rotor ou, respectivement, fait partie d'un rotor quand chacun des éléments à aimants permanents fait partie d'un stator, chacun des éléments à bobinage comprenant au moins un moyen de support dudit au moins un bobinage, les éléments à aimants et les éléments de bobinage pouvant être sous forme de portions de couronne ou d'anneaux concentriques disposées dans un même plan.
Ce document ne permet pas cependant une modulation du couple fourni par l'actionneur en présentant une possibilité de modulation de l'intensité électrique fourni à des éléments de bobinage. De ce fait il ne peut servir au remplacement de plusieurs actionneurs dans le cadre d'un système à redondance, le problème spécifique à résoudre par un système à redondance n'ayant pas été mentionné dans ce document. De plus, la problématique du couple de détente n'est pas évoquée dans ce document et ce document ne donne aucune solution pour remédier au couple de détente.
Le problème à la base de la présente invention est, d'une part, de permettre une adaptation de l'actionneur à toutes conditions de fonctionnement en lui permettant notamment de jouer le rôle de système à redondance en remplaçant plusieurs actionneurs électromagnétiques prévus pour l'actionnement d'une même fonction et, d'autre part, de diminuer le couple de détente qui est inhérent à un tel actionneur électromagnétique.
A cet effet, on prévoit selon l'invention un actionneur électromagnétique à multiples entrefers et à plage angulaire de fonctionnement, cet actionneur comportant au moins trois éléments à aimants disposés à distance les uns des autres et comprenant chacun une série d'aimants permanents, un élément de bobinage portant au moins un bobinage étant encadré entre chaque paire d'éléments à aimants successifs, un nombre entier d'éléments de bobinage étant égal au nombre entier d'éléments à aimants moins un, les éléments de bobinage et les éléments d'aimants ne faisant pas une révolution complète dans l'actionneur, ces arcs étant limités en fonction de la plage angulaire de fonctionnement de l'actionneur, un entrefer étant défini entre chacun desdits éléments à aimants et l'élément de bobinage ainsi encadré, chaque élément à aimants permanents faisant partie d'un rotor ou d'un stator respectif, tandis que chaque élément de bobinage fait partie d'un stator quand chacun des éléments à aimants permanents fait partie d'un rotor ou, respectivement, fait partie d'un rotor quand chacun des éléments à aimants permanents fait partie d'un stator, chacun des éléments à bobinage comprenant au moins un moyen de support dudit au moins un bobinage, les éléments à aimants et les éléments de bobinage pouvant être sous forme de portions de couronne ou d'anneaux concentriques disposées dans un même plan, caractérisé en ce que l'alimentation de chaque élément de bobinage ou d'un groupe d'éléments de bobinage est propre respectivement à l'élément ou au groupe et que le moyen de support de chaque élément de bobinage ne contient pas de fer, les aimants des éléments d'aimants les plus internes à l'actionneur étant plus petits que les aimants les plus externes des éléments d'aimants et la longueur d'un arc de cercle formé par un élément de bobinage intercalé entre deux éléments à aimants étant plus grande que celle des arcs de cercle formés par les deux éléments à aimants associés.
Un tel actionneur à entraînement direct remplace l'association d'un moteur à haute vitesse et d'un réducteur. Un tel actionneur assure une redondance des moyens de pilotage d'une fonction, par exemple par une augmentation de l'intensité électrique à certains des éléments de bobinage pour compenser la défaillance d'un ou de plusieurs éléments de bobinage. Un tel actionneur permet le regroupement de plusieurs actionneurs en un seul et de réduire le poids du système d'actionnement à redondance ainsi que son encombrement.
En effet, d'une part, le fait de multiplier les entrefers permet d'obtenir un couple important, ceci en entraînement direct. D'autre part et surtout, le couple fourni par cet actionneur est modulable étant donné que l'alimentation de chaque élément de bobinage ou d'un groupe d'éléments de bobinage est propre respectivement à l'élément ou au groupe.
Par exemple, quand l'actionneur est associé à un système de commande en faisant office de système assurant une redondance, le système de commande peut constater la défaillance d'un élément de bobinage ou d'un groupe de bobinage et alimenter sous une intensité plus fort les autres éléments de bobinage ou groupe de bobinage pour compenser cette défaillance. Pour une fonction ne demandant pas une puissance électrique importante, certains des éléments de bobinage peuvent aussi être conservés non alimentés.
Inversement, le système de commande peut augmenter l'intensité électrique fournie à des ou à tous les éléments de bobinage s'il s'avère que c'est nécessaire pour le bon fonctionnement de l'actionneur. Il y a donc une grande capacité d'adaptation d'un tel actionneur aux conditions de fonctionnement requises.
Enfin, sans que ces exemples soient limitatifs, le système de commande peut modifier les paramètres d'alimentation des éléments de bobinage afin qu'un retour d'effort soit perceptible par l'utilisateur agissant sur l'actionneur, ce qui lui donne une information sur l'élément piloté par l'actionneur.
De manière générale, l'association d'un moteur à haute vitesse et d'un réducteur permet en général d'avoir à partir d'un moteur haute vitesse avec une puissance P = C w, avec C étant le couple et w la vitesse angulaire, la transmission de la puissance au réducteur permettant à la sortie de l'arbre du réducteur d'avoir un couple plus important et une vitesse plus faible. Ceci est donc obtenu classiquement par un entraînement indirect.
Il n'avait jamais encore obtenu un entraînement direct par un seul actionneur qui produise le couple voulu dans les conditions précédemment mentionnées.
Le fait de réduire aussi le couple de détente en n'évitant la présence de fer au moins localement dans l'actionneur permet une conduite plus souple et précise de l'actionneur en garantissant le couple souhaité.
De manière facultative, l'invention comprend en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes :
- ledit au moins un moyen de support présente une dent ou une encoche pour le maintien partiel dudit au moins un bobinage.
- l'actionneur est alimenté en courant polyphasé, chaque élément de bobinage présentant des groupes de bobinage alimentés respectivement par une phase du courant, chaque bobinage étant monté sur une dent respective sans chevauchement entre les bobinages alimentés par une phase respective différente.
- ledit au moins un moyen de support est sous la forme d'une couronne ou d'un anneau plat. - le moyen de support d'un élément de bobinage est en matériau plastique, composite, céramique ou en verre.
- ladite au moins une série d'aimants permanents portée par un ou des éléments à aimants permanents présente ses aimants adjacents montés avec leur polarité inversée.
- ladite au moins une série d'aimants permanents portée par un ou des éléments à aimants permanents présente ses aimants adjacents montés selon une structure de Halbach.
- l'élément à aimants permanents présentant ses aimants adjacents montés selon une structure de Halbach est l'élément le plus interne ou le plus externe à l'actionneur, les aimants établissant un champ magnétique augmenté du côté tourné vers l'élément de bobinage associé, tandis que le champ magnétique est diminué ou annulé sur son côté opposé à l'élément de bobinage.
- au moins les aimants permanents d'une série d'aimants permanents sont sous la forme de tuiles ou de pavés.
- au moins un élément à aimants permanents présente des logements recevant respectivement un aimant permanent de ladite au moins une série d'aimants qu'il porte, cet aimant permanent présentant une épaisseur sensiblement supérieure ou égale à celle du logement.
- les aimants permanents d'un élément ou des éléments à aimants permanents sont choisis parmi les aimants ferrites, les aimants à base de terres rares comme des aimants néodyme-fer-bore ou des aimants samarium cobalt, des aimants à base d'aluminium, de nickel et de cobalt, avec ou sans liant thermoplastique.
- un ou des éléments à aimants permanents ne contiennent pas de fer au moins sur le passage du champ magnétique émis.
- un élément ou des éléments à bobinage sont recouverts ou munis préalablement d'une frette de protection au moins sur un ou des côtés tournés respectivement vers un élément à aimants permanents.
- les éléments de bobinage forment un stator respectif et les éléments à aimants permanents forment un rotor respectif.
- l'actionneur est à flux axial, radial, transverse ou hybride. - les éléments de bobinage sont réunis en au moins deux groupes respectifs, chaque groupe étant alimenté séparément de l'autre ou des autres groupes.
L'invention concerne aussi un système comprenant au moins un actionneur assurant une action de redondance de l'actionnement d'une fonction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tel actionneur électromagnétique.
Avantageusement, il est prévu une unité de commande qui présente des moyens de réception des données de fonctionnement en temps réel de l'actionneur et des moyens de mémorisation de données de fonctionnement optimales de l'actionneur, l'unité de commande présente des données de modulation de l'alimentation respective de chaque élément de bobinage ou d'un groupe d'éléments de bobinage pour que les données de fonctionnement en temps réel correspondent aux données optimales.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe d'un premier mode de réalisation d'un actionneur polyentrefers à flux radial selon la présente invention,
- la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un actionneur polyentrefers à flux radial selon la présente invention,
- la figure 3 est une représentation schématique d'une coupe d'un troisième mode de réalisation d'un actionneur polyentrefers à flux radial selon la présente invention.
En se référant aux figures 1 et 2, d'une manière générale, il est représenté un actionneur 1 électromagnétique à plage angulaire de fonctionnement à multiples entrefers 4, cet actionneur 1 comportant au moins trois éléments à aimants 2 disposés à distance les uns des autres et comprenant chacun une série d'aimants permanents 2a, 2b.
L'actionneur 1 présente plusieurs éléments de bobinage 3 portant au moins un bobinage 3a, 3b, 3c, chacun des éléments de bobinage 3 étant encadré par deux éléments à aimants 2 successifs, un entrefer 4 existant entre chaque élément de bobinage 3 et un des deux éléments à aimants 2 qui l'encadrent. Aux figures, les bobinages 3a, 3b, 3c sont différenciés par un symbole spécifique, à savoir respectivement cercle, lignes pointillés et triangle.
Aux figures 1 et 2, seul un élément à aimants parmi treize éléments à aimants est référencé 2. De même, seul un élément de bobinage parmi douze éléments de bobinage est référencé 3 et seul un entrefer est référencé 4 parmi vingt quatre entrefers existant entre chaque élément de bobinage 3 et un des deux éléments à aimants 2 qui l'encadrent. Ces références valent cependant pour tous les éléments ou entrefers respectifs. Les nombres donnés d'éléments à aimants 2, d'entrefers 4 et d'éléments de bobinage 3 ne sont pas limitatifs.
Chaque élément à aimants 2 permanents fait partie d'un rotor ou d'un stator respectif, tandis que chaque élément de bobinage 3 fait partie d'un stator quand chacun des éléments à aimants 2 permanents fait partie d'un rotor ou, respectivement, fait partie d'un rotor quand chacun des éléments à aimants 2 permanents fait partie d'un stator. Le plus fréquemment, chaque élément de bobinage 3 fait partie d'un stator respectif et chaque élément à aimants 2 permanents fait partie d'un rotor, ce qui n'est pas limitatif.
Chaque élément de bobinage 3 porte donc au moins un bobinage encadré entre chaque paire d'éléments à aimants 2 successifs, un nombre entier d'éléments de bobinage 3 étant égal au nombre entier d'éléments à aimants 2 moins un, les éléments de bobinage 3 et les éléments d'aimants 2 ne faisant pas une révolution complète dans l'actionneur, ces arcs étant limités en fonction de la plage angulaire de fonctionnement de l'actionneur.
Avantageusement, chaque élément de bobinage 3 forme un stator de l'actionneur 1 du fait de la présence de connexions électriques alimentant les bobines 3a, 3b, 3c. Il n'est cependant pas exclu que les éléments de bobinage 3 forment chacun un rotor de l'actionneur 1. Dans ce cas, la connexion électrique peut revêtir une autre forme, par exemple en étant par frottement continu entre un élément conducteur porté par l'élément de bobinage 3 et un élément fixe conducteur lors de la rotation du rotor alors formés par l'élément de bobinage 3. Chaque élément de bobinage 3 et chaque élément à aimants 2 présentent avantageusement une forme d'arc de cercle, les arcs de cercle les plus internes présentant une longueur plus grande que les arcs de cercle les plus externes, leur longueur diminuant en fonction de leur proximité de la périphérie de l'actionneur .
Il s'ensuit que les éléments de bobinage 3 et les éléments à aimants 2 ne font pas une révolution complète dans l'actionneur , ces arcs étant limités en fonction de la plage angulaire de fonctionnement de l'actionneur 1. Cette plage peut être quelconque par exemple entre quelques degrés et moins de 360°, par exemple +/- 15° ce qui n'est pas limitatif.
Les aimants 2a, 2b disposés sur les éléments à aimants les plus internes sont plus petits que les aimants disposés sur les éléments à aimants les plus externes, leur taille allant croissante plus leur distance du centre de l'actionneur 1 s'accroît. Il en va de même pour les bobinages 3a, 3b, 3c.
Par exemple aux figures, sans que cela soit limitatif, l'arc formé par l'élément à aimants le plus interne comprend vingt aimants tandis que l'arc formé par l'élément à aimants le plus externe comprend quatre aimants. Il en va de même pour les éléments de bobinage 3.
La longueur d'un arc de cercle formé par un élément de bobinage 3 intercalé entre deux éléments à aimants 2 est plus grande que celle des arcs de cercle formés par les deux éléments à aimants 2 associés, ceci pour permettre leur rotation dans la plage angulaire de fonctionnement de l'actionneur 1. Les éléments à aimants 2 se trouvent ainsi en vis-à-vis d'au moins un élément de bobinage 3 lors de sa rotation dans la plage angulaire.
Les éléments à aimants 2, alors en tant que rotor, peuvent donc pivoter par rapport aux éléments à bobinage 3, alors en tant que stator, dans la plage de fonctionnement de l'actionneur en atteignant une extrémité respective des éléments à bobinage 3 associés.
Chacun des éléments de bobinage 3 comprend au moins un moyen de support d'au moins un bobinage 3a, 3b, 3c. Aux figures 1 et 2, il est montré trois bobinages 3a, 3b, 3c différents. Seul un groupe de bobinages d'un élément de bobinage 3 a été référencé 3a, 3b, 3c aux figures 1 et 2 mais ceci est valable pour tous les bobinages.
Selon la présente invention, l'actionneur 1 électromagnétique se distingue en ce que l'alimentation de chaque élément de bobinage 3 ou d'un groupe d'éléments de bobinage 3 est propre respectivement à l'élément 3 ou au groupe et que le moyen de support d'au moins un élément de bobinage 3 ne contient pas de fer, les aimants 2a, 2b des éléments d'aimants 2 les plus internes à l'actionneur 1 étant plus petits que les aimants 2a, 2b les plus externes des éléments d'aimants 2 et la longueur d'un arc de cercle formé par un élément de bobinage 3 intercalé entre deux éléments à aimants 2 étant plus grande que celle des arcs de cercle formés par les deux éléments à aimants 2 associés.
Avantageusement, ledit au moins un moyen de support présente des dents ou des encoches pour le maintien partiel dudit au moins un bobinage 3a, 3b, 3c.
Comme montré aux figures 1 et 2, quand l'actionneur 1 est alimenté en courant polyphasé, chaque élément de bobinage 3 présente des groupes de bobines, chaque groupe étant alimenté respectivement par une phase du courant. Le courant polyphasé est ici montré triphasé ce qui n'est pas limitatif.
A la figure 1 , le courant triphasé est distribué selon les références suivantes: a+, c-, b+, a-, c+, b-. Il s'ensuit un chevauchement des phases. En regard des contraintes de volume dans l'actionneur 1 électromagnétique, les bobines 3a, 3b, 3c avec ce type de bobinage peuvent être difficiles à fabriquer.
De manière préférentielle selon la présente invention, à la figure 2, le courant triphasé est distribué de la façon suivante: a+, a-, c+, c- b+ b-, comme les références l'indiquent. Chaque bobine 3a, 3b, 3c peut être montée sur une dent respective sans chevauchement entre les bobines 3a, 3b, 3c alimentées par différentes phases. Le montage des bobines 3a, 3b, 3c sur l'élément de bobinage 3 en est facilité.
Dans le mode de réalisation montré aux figures 1 et 2, l'actionneur 1 électromagnétique est à flux radial, ce qui n'est pas limitatif l'actionneur pouvant être à flux axial ou dans une combinaison de ces deux flux.
Les éléments à aimants 2 permanents et les éléments de bobinage 3 peuvent être sous la forme de portions de couronnes ou d'anneaux concentriques disposés dans un même plan et les aimants permanents 2a, 2b présentent une forme de pavé courbé selon la courbure de l'élément à aimants 2 permanents associé. Ceci n'est pas limitatif, les aimants pouvant être de forme rectangulaire ou carrée. Ces aimants permanents 2a, 2b peuvent présenter une épaisseur ou être sous la forme de tuiles.
Selon la présente invention, le moyen de support de chaque élément de bobinage 3 ne contient pas de fer. Ceci est particulièrement valable pour les moyens de maintien de chaque bobinage 3a, 3b, 3c, ces moyens de maintien étant prévus sur le moyen de support et pouvant être sous la forme de dents ou d'encoches.
Le couple de détente et les problèmes de saccades qu'il engendre lors du fonctionnement de l'actionneur 1 sont ainsi annulés. De plus, les pertes fer dues à la présence de fer dans le moyen de support du ou des bobinages 3a, 3b, 3c dans les éléments de bobinage 3 sont annulées.
Chaque élément de bobinage 3 est alimenté électriquement par des connexions électriques. Les éléments de bobinage 3 peuvent être réunis en au moins deux groupes respectifs, chaque groupe étant alimenté séparément de l'autre ou des autres groupes.
Avantageusement, il est possible d'avoir un actionneur 1 électromagnétique quadruplex. En regard des figures 1 et 2 dans lesquelles il est prévu douze éléments de bobinage 3, il peut être prévu quatre groupes de trois éléments de bobinage 3, chacun des groupes étant alimentés séparément. Chacun des groupes est alimenté séparément via un onduleur spécifique, ce qui permet d'avoir quatre alimentations séparées et offre des possibilités de redondance.
En effet, en reprenant ce qui a été énoncé dans la partie introductive de la présente demande, pour répondre à tout panne d'alimentation ou de fonctionnement d'un système piloté par au moins un actionneur 1 électromagnétique et de permettre une tolérance aux fautes, l'actionneur 1 électromagnétique selon la présente invention peut remplacer plusieurs actionneurs électromagnétiques assurant la redondance pour ledit système.
Diverses combinaisons entre les éléments de bobinage 3 ou les groupes d'éléments de bobinage 3 alimentés électriquement sont possibles. Par exemple, il est possible d'alimenter les x groupes d'éléments de bobinage 3 simultanément ou alternativement. Un ou des groupes peuvent être gardés en réserve pour compenser la défaillance d'un autre groupe en utilisation. Indépendamment de l'obtention d'une redondance, il est aussi possible de moduler la puissance en fonctionnement d'un tel actionneur 1 électromagnétique selon la présente invention.
Avantageusement, comme montré aux figures 1 et 2 par des flèches pour les deux éléments à aimants 2 les plus externes à l'actionneur 1 , les éléments à aimants 2 permanents présentent leurs aimants 2a, 2b adjacents l'un à l'autre en étant montés avec leur polarité inversée.
Dans un mode de réalisation alternatif, la ou les séries d'aimants 2a, 2b permanents d'un ou d'éléments à aimants 2 permanents peuvent présenter leurs aimants adjacents montés selon une structure de Halbach. Il est aussi possible de combiner une structure de Halbach pour au moins un des éléments à aimants 2 de l'actionneur 1 avec une structure à aimants montés avec leur polarité inversée pour d'autres éléments à aimants 2 du même actionneur 1.
Une structure de Halbach consiste en un agencement particulier des aimants permanents 2a, 2b qui permet d'augmenter le champ magnétique d'un côté de la série d'aimants permanents tandis que le champ magnétique de l'autre côté de la série est sensiblement diminué voire annulé.
Ceci est obtenu en ayant un motif spécifique de disposition des aimants permanents. Une telle disposition est avantageuse pour l'élément à aimants 2a, 2b le plus interne ou le plus externe de l'actionneur 1 , l'élément de bobinage 3 intercalé entre ces deux éléments à aimants 2 les plus internes ou les plus externes se trouvant parcouru par un champ magnétique alors concentré dans l'espace entre les deux éléments à aimants 2 les plus internes ou les plus externes encadrant cet élément de bobinage 3.
Ainsi, il peut être avantageusement prévu au moins un élément à aimants 2 permanents le plus interne ou le plus externe à l'actionneur 1 , les aimants 2a, 2b dudit au moins un élément à aimants 2 permanents étant montés selon une structure de Halbach et établissant un champ magnétique augmenté du côté tourné vers l'élément de bobinage 3 associé, tandis que le champ magnétique est diminué ou annulé sur son côté opposé à l'élément de bobinage 3. On réduit ainsi la déperdition du champ magnétique.
Au moins un élément à aimants 2 permanents peut présenter des logements recevant respectivement un aimant permanent 2a, 2b de ladite au moins une série d'aimants qu'il porte. Les aimants 2a, 2b permanents sont avantageusement collés dans leur logement, par exemple à leurs quatre coins quand ils sont de forme carrée ou rectangulaire ou avec une portion courbée en arc de cercle.
Avantageusement, l'aimant 2a, 2b permanent associé à un logement présente une épaisseur sensiblement supérieure ou égale à celle du logement. Le fait que les éléments à aimants 2 permanents présentent de tels logements permet de garantir la cohésion entre les aimants 2a, 2b et l'élément à aimants 2 permanents, ceci notamment quand chaque élément à aimants 2 permanents sert de rotor à l'actionneur 1 , la vitesse élevée de rotation de chaque élément à aimants 2 permanents pouvant entraîner le décollement des aimants 2a, 2b, notamment par force centrifuge.
De tels logements permettent d'éviter une opération d'enrobage ou de frettage des éléments à aimants 2 permanents, opération qui est coûteuse et prend du temps, les éléments 2 devant fréquemment être placés dans un four pendant une durée plus ou moins longue.
L'utilisation de tels logements peut être appliquée à tous les modes de réalisation de la présente invention. Ces logements peuvent être obtenus par différents procédés, par exemple par enlèvement de matière par usinage ou électroérosion ou lors du moulage de chaque élément à aimants 2 dans un moule présentant des formes appropriées pour réaliser les logements.
Inversement, il est possible d'effectuer une opération de frettage complémentaire sur les aimants 2a, 2b placés dans leur logement respectif mais cette opération peut être réduite comparée à une opération de frettage connue de l'état de la technique. Les logements sont avantageusement obtenus par usinage des éléments à aimants 2 permanents.
A la figure 3, l'actionneur 1 est composé de onze arcs de cercle d'aimants formant les éléments à aimants 2 et de quatorze arcs de cercle formant les éléments de bobinage 3, un seul élément à aimants 2 et un seul élément à bobinage 3 étant référencés à cette figure.
L'actionneur 1 est divisé en trois parties avec un nombre de paires de pôles différent pour chaque partie, ce qui permet d'augmenter les performances de l'actionneur 1. Il peut y avoir 96 aimants au total pour l'actionneur 1 , ce qui n'est pas limitatif.
La première partie est composée de quatre arcs de cercle d'éléments de bobinage situés à l'extérieur de l'actionneur avec un élément d'aimants disposé entre deux éléments de bobinage, donc pour cette première partie trois éléments d'aimants. Les premiers trois arcs de cercle les plus extérieurs d'éléments d'aimants comprennent huit aimants pour chaque arc de cercle. La seconde partie est composée de six arcs de cercle d'éléments de bobinage situés au milieu de l'actionneur 1 avec des éléments d'aimants entre eux. La troisième partie est composée de quatre arcs de cercle d'éléments de bobinage situés à l'intérieur de l'actionneur avec des éléments d'aimants entre eux.
Comme à la figure 2, dans chaque élément de bobinage de l'actionneur 1 , les bobines sont montées sur dent. Les avantages des bobines sur dent par rapport aux bobines classiques pour lesquelles les têtes des différentes bobines s'entrecroisent sont d'être plus faciles à fabriquer avec des bobineuses automatiques. De plus, les bobines sur dent permettent un coefficient de remplissage supérieur et des pertes Joules inférieures.
A la figure 3, il est montré un carter fixe 5 reliant les éléments de bobinage 3 entre eux et le carter mobile 6 reliant les éléments à aimants 2 entre eux. Le carter mobile 6 est monté sur un pivot central 7 au centre des arcs de cercle par rapport au carter fixe 5. Les arcs de cercle formant les éléments de bobinage peuvent être prolongés jusqu'au paroi du carter fixe 5 par une couche de la résine.
Avantageusement, pour tous les modes de réalisation de la présente invention, les aimants permanents 2a, 2b de chaque élément à aimants 2 permanents peuvent être choisis parmi les aimants ferrites, les aimants à base de terres rares comme des aimants néodyme-fer-bore (NdFeB) ou les aimants samarium cobalt (SmCo), les aimants à base d'aluminium, de nickel et de cobalt (AINiCo), avec ou sans liant thermoplastique.
De même pour tous les modes de réalisation, pour l'actionneur 1 électromagnétique, avantageusement les éléments à aimants 2 permanents ne contiennent pas de fer au moins sur le passage du champ magnétique émis. Ceci permet d'alléger le poids total de l'actionneur 1 et de minimiser ses pertes en fer.
Avantageusement, aussi pour tous les modes de réalisation de l'invention, pour l'actionneur 1 électromagnétique, les éléments de bobinage 3 peuvent être recouverts d'une frette de protection au moins sur un ou des côtés tournés respectivement vers un élément à aimants 2 permanents. Cette frette de protection peut avantageusement être formée par un ruban thermorétractable, par exemple un drapage de matériau composite à base de fibres de verre, ceci sans que cela soit limitatif.
Pour tous les modes de réalisation décrits de la présente invention, les bobinages 3a, 3b, 3c des éléments de bobinage 3 peuvent être des bobinages classiques consistant en un fil métallique bon conducteur enroulé sur un moyen de support, ce moyen de support pouvant présenter des dents espaçant les bobines ou aidant à leur positionnement.
Le ou les bobinages sont avantageusement en fil de cuivre ou d'aluminium. Le moyen de support est à base d'un matériau ne contenant pas de fer et être par exemple en plastique, en composite, en verre. Ce moyen de support peut avantageusement être souple et élastiquement déformable.
Le moyen de support du ou des bobinages 3a, 3b, 3c prévus pour un élément de bobinage 3 peut être sous la forme d'une couronne ou d'un anneau plat comprenant une série de moyens de réception au moins partielle d'au moins un bobinage 3a, 3b, 3c qu'il supporte.
Ces moyens de réception peuvent être sous la forme d'encoches disposées dans le plan de la couronne ou de l'anneau plat formé par le moyen de support. Ces encoches, avantageusement radiales, sont donc susceptibles de coopérer avec les bobinages 3a, 3b, 3c pour leur positionnement sur le moyen de support. Les moyens de réception, par exemple sous forme d'encoches, font avantageusement face aux éléments à aimants 2 permanents associés.
Un moyen de support sous forme d'au moins une portion de couronne ou d'un anneau est plus particulièrement approprié pour un actionneur 1 électromagnétique à flux radial. Il est aussi possible que le moyen de support forme une couronne ou un anneau continu, les éléments de bobinage 3 étant présents seulement sur une portion de la couronne ou de l'anneau.
Ce moyen de support peut être aussi sensiblement sous la forme d'un disque avec au moins un bobinage 3a, 3b, 3c enroulé autour. Ce disque présente avantageusement un évidement dans sa partie médiane. Un tel moyen de support est alors plus particulièrement approprié pour un moteur ou une génératrice électromagnétique à flux axial.
Le moyen de support, ne contenant pas de fer, peut être formé d'un ou de plusieurs éléments. Dans le cas de plusieurs éléments, ces éléments sont de faible épaisseur et superposés ou enroulés les uns sur les autres, par exemple sous forme de feuilles, le moyen de support étant alors en matériau feuilleté. Les feuilles sont avantageusement enroulées à plat autour de l'axe de symétrie circulaire du moyen de support.
Le passage du courant dans ledit au moins un bobinage 3a, 3b, 3c positionné sur le moyen de support crée le champ magnétique induit de l'actionneur . Ledit au moins un bobinage 3a, 3b, 3c peut être ensuite noyé dans tout liant isolant, par exemple une résine, pour assurer une bonne isolation électromagnétique de celui-ci.
Comme précédemment mentionné, un tel actionneur 1 électromagnétique selon la présente invention peut être à flux axial, radial, c'est-à-dire tangentiel à l'axe de rotation ou respectivement perpendiculaire à l'axe de rotation de l'actionneur 1. Il est cependant aussi possible de concevoir un actionneur 1 à flux transverse ou hybride, le flux étant, par exemple, à la fois perpendiculaire et tangentiel à l'axe de rotation de l'actionneur 1.
Un mode de réalisation non limitatif d'un actionneur 1 à flux radial va être maintenant donné. Les éléments à aimants 2 permanents peuvent être chacun sous la forme d'une portion de couronne, cette couronne pouvant être d'autre part complète mais avec une portion restante ne portant pas d'élément à aimants 2.
Chaque deux éléments à aimants 2 adjacents intercalent entre eux un élément de bobinage 3. Les éléments à bobinage 3 peuvent être aussi avantageusement chacun sous la forme d'une portion de couronne respective, cette couronne pouvant être d'autre part complète mais avec une portion restante ne portant pas d'élément de bobinage 3.
Un entrefer 4 est laissé entre chaque élément à bobinage 3 et chacun des deux éléments à aimants 2 qui lui sont associés.
Tous les éléments à aimants 2 peuvent être reliés à un premier disque les recouvrant sur un côté de l'actionneur 1 , ce disque n'étant pas montré aux figures. De l'autre côté de l'actionneur 1 , les éléments à bobinage 3 peuvent être réunis à un second disque les recouvrant. Les disques insèrent donc entre eux les éléments à aimants 2 et les éléments à bobinage 3 en formant avantageusement un ensemble fermé, ceci par exemple par un rebord prévu à la périphérie d'au moins un disque et sensiblement perpendiculaire au plan du disque tout en laissant un espace entre les deux disques.
Un des disques peut tourner et former le rotor de l'actionneur 1 , par exemple celui relié aux éléments à aimants 2 tandis que l'autre disque peut être fixe et former le stator de l'actionneur . Chacun des disques peut être prolongé par un axe, cet axe étant fixe quand il est associé avec le disque formant stator et l'autre tournant quand il est associé au rotor.
Un mode de réalisation non limitatif d'un actionneur 1 à flux axial va être maintenant donné, ce mode de réalisation n'étant pas représenté aux figures mais faisant néanmoins partie de la présente invention.
Dans cette forme de réalisation, chacun des éléments à bobinage ainsi que chacun des éléments à aimants peuvent être avantageusement sous la forme d'un disque centré sur l'axe central de l'actionneur, cet axe étant avantageusement l'arbre d'entraînement de l'actionneur. Tous ces disques sont concentriques et disposés axialement l'un après l'autre par rapport à l'axe central de l'actionneur.
Les éléments à bobinage pouvant former les stators de l'actionneur sont reliés à l'arbre d'entraînement avec possibilité de rotation de l'arbre d'entraînement par rapport à eux, par exemple en insérant un roulement entre l'arbre d'entraînement et chaque stator.
Les éléments à aimants permanents sous forme de disques peuvent être reliés entre eux à leur périphérie extérieure par une forme cylindrique formant rotor et les englobant. Le rotor peut entraîner l'axe de l'actionneur.
La forme cylindrique, pouvant envelopper aussi les éléments à bobinage, est reliée à l'arbre d'entraînement, avantageusement à chacune de ses extrémités. La forme cylindrique peut ainsi entraîner l'arbre d'entraînement en remplissant sa fonction de rotor. Les aimants de chacune d'au moins une série d'aimants présente sur un élément à aimants permanents sont orientés de manière similaire, ceci pour tous les éléments à aimants permanents. Cette orientation est avantageusement parallèle à l'arbre d'entraînement.
Un tel actionneur fait avantageusement partie d'un système comprenant au moins un actionneur assurant une action de redondance de l'actionnement d'une fonction. Ceci trouve une application particulière mais non limitative dans l'aéronautique où la redondance des moyens d'actionnement joue un rôle crucial.
Avantageusement, il est prévu une unité de commande qui présente des moyens de réception des données de fonctionnement en temps réel de l'actionneur et des moyens de mémorisation de données de fonctionnement optimales de l'actionneur.
L'unité de commande présente des données de modulation de l'alimentation respective de chaque élément de bobinage ou d'un groupe d'éléments de bobinage pour que les données de fonctionnement en temps réel correspondent aux données optimales.

Claims

REVENDICATIONS
Actionneur (1 ) électromagnétique à multiples entrefers (4) et à plage angulaire de fonctionnement, cet actionneur (1) comportant au moins trois éléments à aimants (2) disposés à distance les uns des autres et comprenant chacun une série d'aimants permanents (2a, 2b), un élément de bobinage (3) portant au moins un bobinage (3a, 3b, 3c) étant encadré entre chaque paire d'éléments à aimants (2) successifs, un nombre entier d'éléments de bobinage (3) étant égal au nombre entier d'éléments à aimants (2) moins un, les éléments de bobinage et les éléments d'aimants ne faisant pas une révolution complète dans l'actionneur, ces arcs étant limités en fonction de la plage angulaire de fonctionnement de l'actionneur, un entrefer (4) étant défini entre chacun desdits éléments à aimants (2) et l'élément de bobinage (3) ainsi encadré, chaque élément à aimants (2) permanents faisant partie d'un rotor ou d'un stator respectif, tandis que chaque élément de bobinage (3) fait partie d'un stator quand chacun des éléments à aimants (2) permanents fait partie d'un rotor ou, respectivement, fait partie d'un rotor quand chacun des éléments à aimants (2) permanents fait partie d'un stator, chacun des éléments à bobinage (3) comprenant au moins un moyen de support dudit au moins un bobinage (3a, 3b, 3c), les éléments à aimants (2) et les éléments de bobinage (3) pouvant être sous forme de portions de couronne ou d'anneaux concentriques disposées dans un même plan, caractérisé en ce que l'alimentation de chaque élément de bobinage (3) ou d'un groupe d'éléments de bobinage (3) est propre respectivement à l'élément (3) ou au groupe et que le moyen de support de chaque élément de bobinage (3) ne contient pas de fer, les aimants (2a, 2b) des éléments d'aimants (2) les plus internes à l'actionneur (1 ) étant plus petits que les aimants (2a, 2b) les plus externes des éléments d'aimants (2) et la longueur d'un arc de cercle formé par un élément de bobinage (3) intercalé entre deux éléments à aimants (2) étant plus grande que celle des arcs de cercle formés par les deux éléments à aimants (2) associés.
2. Actionneur (1 ) électromagnétique selon la revendication précédente, dans lequel ledit au moins un moyen de support présente une dent ou une encoche pour le maintien partiel dudit au moins un bobinage (3a, 3b, 3c).
3. Actionneur (1 ) électromagnétique selon la revendication précédente, lequel est alimenté en courant polyphasé, chaque élément de bobinage (3) présentant des groupes de bobinage (3a, 3b, 3c) alimentés respectivement par une phase du courant, chaque bobinage (3a, 3b, 3c) étant monté sur une dent respective sans chevauchement entre les bobinages (3a, 3b, 3c) alimentés par une phase respective différente. 4. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un moyen de support est sous la forme d'une couronne ou d'un anneau plat.
Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de support d'un élément de bobinage (3) est en matériau plastique, composite, céramique ou en verre.
6. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite au moins une série d'aimants permanents (2a, 2b) portée par un ou des éléments à aimants (2) permanents présente ses aimants (2a, 2b) adjacents montés avec leur polarité inversée.
7. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite au moins une série d'aimants permanents (2a, 2b) portée par un ou des éléments à aimants (2) permanents présente ses aimants (2a, 2b) adjacents montés selon une structure de Halbach.
8. Actionneur (1 ) électromagnétique selon la revendication précédente, dans lequel l'élément à aimants (2) permanents présentant ses aimants (2a, 2b) adjacents montés selon une structure de Halbach est l'élément (2) le plus interne ou le plus externe à l'actionneur (1 ), les aimants (2a, 2b) établissant un champ magnétique augmenté du côté tourné vers l'élément de bobinage (3) associé, tandis que le champ magnétique est diminué ou annulé sur son côté opposé à l'élément de bobinage (3).
9. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins les aimants permanents (2a, 2b) d'une série d'aimants permanents sont sous la forme de tuiles ou de pavés.
10. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un élément à aimants (2) permanents présente des logements recevant respectivement un aimant (2a, 2b) permanent de ladite au moins une série d'aimants qu'il porte, cet aimant permanent (2a, 2b) présentant une épaisseur sensiblement supérieure ou égale à celle du logement.
1 1 .Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanents (2a, 2b) d'un élément ou des éléments à aimants (2) permanents sont choisis parmi les aimants ferrites, les aimants à base de terres rares comme des aimants néodyme-fer-bore ou des aimants samarium cobalt, des aimants à base d'aluminium, de nickel et de cobalt, avec ou sans liant thermoplastique. 12. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un ou des éléments à aimants (2) permanents ne contiennent pas de fer au moins sur le passage du champ magnétique émis.
13. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un élément ou des éléments à bobinage (3) sont recouverts ou munis préalablement d'une frette de protection au moins sur un ou des côtés tournés respectivement vers un élément à aimants (2) permanents.
14. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de bobinage (3) forment un stator respectif et les éléments à aimants (2) permanents forment un rotor respectif.
15. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, lequel est à flux axial, radial, transverse ou hybride. 6. Actionneur (1 ) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de bobinage (3) sont réunis en au moins deux groupes respectifs, chaque groupe étant alimenté séparément de l'autre ou des autres groupes. 17. Système comprenant au moins un actionneur (1 ) assurant une action de redondance de l'actionnement d'une fonction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un actionneur (1 ) électromagnétique selon la revendication précédente.
18. Système selon la revendication précédente, dans lequel il est prévu une unité de commande qui présente des moyens de réception des données de fonctionnement en temps réel de l'actionneur et des moyens de mémorisation de données de fonctionnement optimales de l'actionneur, l'unité de commande présente des données de modulation de l'alimentation respective de chaque élément de bobinage ou d'un groupe d'éléments de bobinage pour que les données de fonctionnement en temps réel correspondent aux données optimales.
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