WO2022263769A1 - Moteur de petites dimensions - Google Patents

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WO2022263769A1
WO2022263769A1 PCT/FR2022/051146 FR2022051146W WO2022263769A1 WO 2022263769 A1 WO2022263769 A1 WO 2022263769A1 FR 2022051146 W FR2022051146 W FR 2022051146W WO 2022263769 A1 WO2022263769 A1 WO 2022263769A1
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teeth
electric motor
phase electric
tooth
unwound
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Lionel Billet
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Moving Magnet Technologies
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Definitions

  • the present invention relates to a three-phase electric motor, of small size and reduced mass, intended in particular to drive a reduction gear with several stages housed in a housing where the stator part is integrated in a way allowing good organization of the other components (cogwheels, electronic circuit).
  • the stator part has two angular sectors alpha-1 and alpha-2, of respective radii RI and R2 with RI different from R2, comprising wide teeth and narrow teeth respectively extending radially from an annular crown.
  • the wide teeth have a width greater than or equal to twice the width of the narrow teeth, in that the notch width is greater than the width of a narrow tooth.
  • the angular sector alpha-1 is less than 220° and comprises at least three windings.
  • Patent EP3326263 is also known, describing another geared motor solution consisting of a housing comprising a brushless motor having at least two electrical phases, a rotor rotating around an axis, and consisting of a stator assembly having at least two poles each carrying coils whose winding axes are spaced apart by a mechanical angle of less than 180° and extend radially.
  • the object of the present invention is to remedy this drawback and relates in its most general sense to a three-phase electric motor, formed by a stator part excited by three electric coils and by a magnetized rotor, the stator part having teeth extending radially characterized in that the stator part comprises: three consecutive wound teeth, each carrying a coil, in a first angular sector, one to three complementary non-wound teeth, in a second angular sector complementary to said first angular sector.
  • said non-coiled teeth are configured to adjust the torque without current of said three coiled teeth to a predetermined reference value.
  • the angular width, the length, and possibly the shape, of said unwound teeth are adjusted so as to sculpt the torque curve without current of the three-phase electric motor, to favor regularity and smoothness or a more or less stiff indexing of the torque without current.
  • the angular width, the length and possibly the shape of said unwound teeth are adjusted so as to balance the radial magnetic forces acting between the rotor and the teeth of the stator.
  • the angular difference between two consecutive wound teeth is 60°.
  • the stator has six teeth, with three uncoiled teeth with a gap of 60°, diametrically opposed to said coiled tooth.
  • the stator has five teeth, with an unwound tooth on either side of said first angular sector, with a difference of 60° between the unwound tooth and the consecutive wound tooth.
  • the stator has four teeth, with a non-coiled tooth diametrically opposed to the central coiled tooth.
  • the length of the coils measured radially and less than the diameter of the rotor, to facilitate insertion.
  • the stator is made in two parts to be able to insert long coils.
  • the electric motor comprises three unwound teeth separated by an angle of 60°, each of the unwound teeth being diametrically opposed to one of said wound teeth.
  • the electric motor comprises two non-coiled teeth located in the second angular sector, the angle formed between each non-coiled tooth and the adjacent coiled tooth being identical.
  • the electric motor comprises a single unwound tooth, said unwound tooth being diametrically opposed to the central wound tooth.
  • the stator has a cutout between said unwound teeth, the space thus freed up making it possible to accommodate a magneto-sensitive probe for measuring the position of the rotor.
  • the length of the coils measured radially is less than the diameter of the rotor.
  • the stator is made of it in two or more parts.
  • the rotor has 2 N pairs of magnetic poles, N being a natural number less than or equal to 2.
  • Geared motor provided with a housing comprising a three-phase electric motor, as well as a motion transformation.
  • Geared motor with a housing also comprises control electronics having the means for controlling said three-phase electric motor.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first embodiment
  • FIG. 1 shows a front view of a first embodiment
  • FIG. 4 represents a view of a stator plate of a first embodiment
  • FIG. 5 represents a view of a stator plate of a variant of the first embodiment having unequal teeth
  • FIG. 6c Figures 6a, 6b, 6c represent the typical torque curves according to the first example of optimized embodiment
  • FIG. 7 shows a perspective view of a third embodiment
  • FIG. 8c Figures 8a, 8b, 8c represent the typical torque curves according to the third example of optimized embodiment
  • FIG. 9 represents a perspective view of an alternative embodiment of a stator according to the invention.
  • FIG. 10 represents a perspective view of different rotor variants according to the invention.
  • FIGURE 11 shows a perspective view of an alternative embodiment of a stator according to the invention
  • FIGURE 12 Figure 12 shows a perspective view of the coupling of the invention to a reducer
  • Figure 13 shows a perspective view of a coupling variant of the invention to a reducer
  • FIG. 14 shows a perspective view of a coupling variant of the invention to a reducer
  • FIG. 15 shows a perspective view of the variant shown in Figure 14 and integrated into the housing of a geared motor
  • FIG. 16 represents a perspective view of an alternative embodiment according to the invention provided with a rotor with 2 pairs of poles,
  • FIG. 17 represents a perspective view of an alternative embodiment according to the invention provided with a stator having a single unwound tooth
  • FIG. 18 shows a simulation of the magnetic forces on each of the teeth for two different widths of the unwound teeth
  • FIG. 19 represents a simulation of the resultant of the magnetic forces applied to the stator for two different widths of the unwound teeth.
  • the present invention therefore aims to provide a motor, intended in particular to equip a geared motor, which is economical and robust, suitable for large series, and comprising for this a polyphase electric motor allowing easy integration with a reducer or a motion transformation system, respecting all the constraints imposed in terms of external dimensions and mass.
  • the space between the teeth is insufficient with the stator architectures of the prior art and does not make it possible to accommodate enough copper in the slots.
  • the coil bodies have a non-negligible width compared to the size of the motor and since they cannot be reduced for reasons of moldability and dielectric strength. to be guaranteed between the coils and the stator laminations, the space available for the copper must be increased.
  • the change to a lower number of teeth proposed by the invention makes it possible to increase the volume of copper available. Since the coil body remains of constant volume, the ratio of copper volume to volume of the coil body is therefore favorably impacted.
  • the solution which is the subject of the invention consists in choosing a structure of three consecutive wound teeth, to which are added one to three unwound teeth, i.e. a total of 4 to 6 teeth in combination with a rotor fitted with a maximum of 4 pairs of poles, the teeth being spaced at 60° or 120° from each other.
  • the winding factor of a 6-tooth 4-pair-of-pole structure being magnetically unfavorable in comparison with the previously mentioned 12-tooth 5-pair-of-pole structures, the person skilled in the art will not naturally choose it unless the bulk constraint is strong enough.
  • the motor is supplied with only 3 coils (out of a maximum of 6 that it could carry) because this makes it possible to reduce the total volume of the coil body, and therefore maximizes that of copper, and greatly simplifies the electrical connections.
  • the magnetic solution combining a stator having wound teeth mechanically separated by 60° and a rotor having 4 pairs of poles is not trivial because this configuration has a torque without current of low harmonic rank and therefore of high amplitude.
  • the invention proposes to solve this problem by choosing specific angular tooth widths.
  • the stator structure is asymmetrical, all the coils being distributed over 3 teeth located in the same angular sector less than 180°.
  • the complementary angular sector has one, two or three bare teeth, that is to say devoid of coils, so as to counterbalance the magnetic forces.
  • First example of realization Figures 1 to 4 correspond to a first embodiment of a variant with six teeth (1 to 6). Three consecutive teeth (1 to 3) are wound, with coils respectively (11 to 13) supported by an insulating core (21 to 23), forming an angle of 60° between them, completed by three teeth (4 to 6) more short and uncoiled.
  • the teeth extend radially with respect to an annular peripheral zone (10).
  • the stator (30) is formed in known manner by a stack of sheets (20) cut from a sheet of ferromagnetic metal.
  • the coils (11 to 13) are mounted on a core (21 to 23) having contacts (31 to 33; 41 to 43) of the “pressfit” type allowing connection with a printed circuit.
  • the angular width, a 2 , and the length of the unwound teeth (4 to 6), and possibly their shape, are adjusted according to the desired behavior in terms of torque without current, which can favor regularity and smoothness ( "smoothness") or a more or less steep indexing. These characteristics can be determined empirically, by successive adjustments of a rotor prototype, or by modeling the torque without current. For a motor having 6 teeth successively separated by a mechanical 60° and in combination with a rotor having 4 pairs of poles, the torque without current, C 0 , can be minimized by choosing teeth having a frontal end of angular spreading identical, to Q , and of a value situated between 22° and 23°.
  • a variant embodiment according to the invention, presented in FIG. 5, proposes solving this problem by choosing an angular width, a 2 , of the non-coiled teeth (4 to 6) greater than that of the coiled teeth (1 to 3), has . Good results are obtained when the non-coiled teeth (4 to 6) are widened and the coiled teeth (1 to 3) are refined so as to keep a constant total angular spread, that is to say, for example if the coiled teeth are refined by x°, i.e.
  • Figures 6a, 6b, 6c represent the torque variations due to the magnetization harmonic 3, perceived by a coiled tooth and an uncoiled tooth as a function of the mechanical angle and represented for an electrical period and for a ratio between the angular widths of the wound teeth a lt and of the unwound teeth a 2 optimized to minimize the torque ripple without current C 0 .
  • Figures 6a, 6b, 6c show the case of a 6-tooth stator.
  • FIG. 6a presents in curve (101) the simulation of the torque C 06 perceived by the coiled tooth (1) and the curve (102) represents the sum of the torques C 06 perceived by all the teeth (1 to 3) wound.
  • These torques have a non-negligible amplitude compared to the torque generated by a coil, curve (100), when it is supplied with the nominal current.
  • FIG. 6b presents in curve (103) the torque C 06 simulated for the unwound tooth (4) and the curve (104) presents the sum of the torques C 06 on all of the unwound teeth (4 to 6).
  • the couples C 06 simulated for the wound teeth, curve (102), and for the unwound teeth, curve (104) are of the same amplitude but of opposite phase, which leads to a perfect cancellation of the torque C 06 summed over all of the teeth (1 to 6) and represented by the curve (110).
  • Figure 7 shows another embodiment with only two uncoiled teeth (4 and 6) and not connected to each other, but connected to the coiled teeth respectively (1 and 3) surrounded by the coils (11, 13).
  • the stator surrounds a magnetized rotor (50).
  • the term “unconnected teeth” means that there is an interruption in the magnetic continuity between these teeth at the level of the smallest angle separating them, for example by means of a cutout between said teeth of the stack of laminations constituting the stator.
  • the space freed up between the unwound teeth (4, 6) makes it possible to house a magneto-sensitive probe (30) to measure the position of the rotor and control the electrical supply to the coils.
  • the uncoiled teeth (4, 6) must be widened by a complementary value, i.e.
  • FIGS. 8a, 8b, 8c represent the variations in torque due to the 3rd harmonic of magnetization, perceived by a coiled tooth and an uncoiled tooth as a function of the mechanical angle and represented for an electrical period and for a ratio between the angular widths of the wound teeth a lt and of the unwound teeth a 2 optimized to minimize the torque ripple without current C 0 .
  • Figures 8a, 8b, 8c show the case of a 5-tooth stator. More particularly, FIG. 8a presents in curve (105) the simulation of the torque C 06 perceived by the coiled tooth (1) and the curve (106) represents the sum of the torques C 06 perceived by all the teeth (1 to 3 ) wound.
  • FIG. 8b presents in curve (107) the torque C 06 simulated for the unwound tooth (4) and the curve (108) presents the sum of the torques C 06 on all of the unwound teeth (4, 6).
  • the couples C 06 simulated for the wound teeth, curve (106), and for the unwound teeth, curve (108) are of the same amplitude but of opposite phase, which leads to a perfect cancellation of the torque C 06 summed over all of the teeth (1 to 6) and represented by the curve (110).
  • a final alternative, not shown, is to compensate for the torque without current using a single non-coiled tooth located in the complementary angular sector.
  • Figures 6a, 6b, 6c on the one hand and 8a 8b, 8c on the other hand illustrate the perfect compensation of the torque without current C 06 , achieved using specific tooth widths. Nevertheless, the compensation of the torque without current is not limiting of the invention, because for certain applications a torque amplitude without current non-zero is desired, for example to ensure blocking of the actuator when it is not powered. The person skilled in the art can then adjust the width of the wound teeth to optimize the performance of his machine, then adjust the width of the unwound teeth to obtain the desired value of the torque without current.
  • Figure 18 represents a simulation of the magnetic forces in the plane of the laminations (x, y), on each tooth, and for all the rotor positions, when driven by the supply of the coils over an electrical period, each ellipsoid corresponding to one tooth.
  • the curves (201, 202, 203) represent the forces on the wound teeth (1, 2, 3) when all the teeth are equal
  • the curves (204, 205, 206) represent the forces on the unwound teeth (4, 5, 6) when all the teeth are equal
  • the curves (301, 302, 303) represent the forces on the coiled teeth (1, 2, 3) when the uncoiled teeth are angularly wider
  • the curves (304, 305, 306) represent the forces on the unwound teeth (4, 5, 6) when the unwound teeth are angularly wider. It can be noticed that when the unwound teeth are wider, the ellipsoids have a lower surface area, which corresponds to lower forces. This is attested by FIG.
  • the stator (8) may be formed of two parts assembled, for example by a dovetail, one of the parts (81) comprising the angular sector with the teeth supporting the coils (11, 12, 13), and the other part (82) comprising the complementary angular sector having the uncoiled teeth (4, 5, 6).
  • This embodiment makes it possible in particular to thread long coils (11, 12, 13), the length of which is greater than the diameter of the rotor (50).
  • the invention is not limited to a rotor of the ring type with 4 pairs of poles, as shown in FIG. 1, but can use any variant of rotor known to those skilled in the art.
  • the rotor (501) can have 8 buried magnets (51), but one could also imagine a more economical magnet alternative, such as that shown in this same figure with the rotor (502 ), by alternating magnet poles (53) with salient poles (52) of a soft ferromagnetic material.
  • the rotor comprises 4 pairs of magnetized poles, the invention however not being limited to this number, a lower number of poles can also be used, while benefiting from the advantages conferred by the invention, by choosing judiciously the geometric characteristics of the teeth (4 to 6) devoid of coils.
  • FIG. 16 presents a possible variant of a rotor provided with 2 pairs of poles.
  • the coiled teeth (1, 2, 3) may have a frontal flare, called tooth beak, allowing more space to be allocated for the coils while optimizing the collection rotor flux.
  • the non-wound teeth can themselves, in addition or alternatively, have tooth beaks so as to, for example, refine the teeth to lighten the stator as much as possible.
  • FIG. 12 illustrates different coupling configurations of the rotor with the first module of a reduction train and Figure 15 shows a possible integration in a geared motor box also comprising control electronics presenting the motor control means three-phase.
  • the rotor (50) is integral with a pinion (51) which meshes with the toothed street of a first motion reduction module (52). This first module is supported by a shaft (53) whose arrangement is limited by the size of the magnetic circuit.
  • Figure 12 illustrates the possibility of inserting this axle between two unwound teeth (4, 5), which makes it possible to obtain greater latitude for the diameters of the pinion (51) and of the wheel of the module (52) and therefore more choice on the reduction of this first stage.
  • Figure 13 illustrates another possible positioning of the axis (53) on the periphery of two coils (12, 13). This configuration makes it possible to completely free up the space situated in the angular sector which does not contain a coil and therefore to position the stator in the corner of the casing of a geared motor so as to obtain a very compact solution.
  • FIG. 14 illustrates the possibility of inserting the pin (53) into the free angular sector of a version of the invention with two non-coiled teeth, as shown in FIG. 7.
  • the two non-coiled teeth ( 4, 6) are not connected by a ferromagnetic circuit and the free space can be used to accommodate the sprocket (54) of the first module (52) of the reduction chain. This makes it possible to obtain a very compact version in the axial direction.

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Abstract

L'invention présente un moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques et par un rotor (50) comportant une pluralité de pôles aimantés, la partie statorique présentant des dents s'étendant radialement, incluant, la partie statorique comporte : - trois dents bobinées consécutives, portant chacune une bobine, dans un premier secteur angulaire, - une à trois dents complémentaires non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire.

Description

Titre : Moteur de petites dimensions
Domaine de l'invention
[0001] La présente invention concerne un moteur électrique triphasé, de faible encombrement et de masse réduite, destiné notamment à entraîner un réducteur à plusieurs étages logés dans un boîtier où la partie statorique s'intégre d'une façon permettant une bonne organisation des autres composants (roues dentées, circuit électronique...).
Etat de la technique
[0002] On connaît dans l'état de la technique le brevet EP2171831B1 de la demanderesse décrivant une solution connue de moteur électrique triphasé présentant une partie statorique excitée par des bobines électriques et par un rotor présentant N paires de pôles aimantés radialement en sens alternés.
[0003] La partie statorique présente deux secteurs angulaires alpha-1, et alpha-2, de rayons respectifs RI et R2 avec RI différent de R2, comportant des dents larges et des dents étroites respectivement s'étendant radialement depuis une couronne annulaire. Les dents larges présentent une largeur supérieure ou égale au double de la largeur des dents étroites, en ce que la largeur d'encoche est supérieure à la largeur d'une dent étroite. Le secteur angulaire alpha-1 est inférieur à 220° et comporte au moins trois bobinages.
[0004] On connaît aussi le brevet EP3326263 décrivant une autre solution de motoréducteur constitué par un boîtier comprenant un moteur sans balai présentant au moins deux phases électriques, un rotor tournant autour d'un axe, et composé d'un ensemble statorique présentant au moins deux pôles portant chacun des bobines dont les axes de bobinage sont espacés d'un angle mécanique inférieur à 180° et s'étendent radialement.
[0005] Le brevet FR3096195 décrit une autre solution encore de motoréducteur comportant un train d'engrenages réducteur et un moteur électrique triphasé comprenant un stator formé d'un empilement de tôles et de 3*k bobines électriques et un rotor présentant k*N paires de pôles aimantés, avec k = 1 ou 2, le stator présentant deux secteurs angulaires alpha 1 et alpha 2 distincts, centrés sur le centre de rotation dudit moteur et comportant une alternance d'encoches et de 3*k*N dents régulièrement espacées convergeant vers le centre de rotation et définissant une cavité dans laquelle est placé ledit rotor, caractérisé en ce que N = 4 et en ce que alpha 1 est inférieur ou égal à 180° et comporte l'ensemble desdites bobines dudit moteur.
Inconvénients de l'art antérieur
[0006] Les solutions de l'art antérieur sont satisfaisantes pour des applications où on dispose d'une place suffisante pour loger le moteur. Toutefois, il n'est pas possible de réduire les dimensions homothétiquement. En effet, certaines dimensions sont contraintes par des paramètres tels que l'énergie électrique appliquée aux bobines, qui ne permettent pas de réduire le volume de cuivre, et donc la section des fils de bobinage ou l'encombrement des bobines en-dessous d'une limite. Aussi, les dimensions de certains éléments, tels que les corps de bobines et les éléments de connections électriques ne peuvent être réduites proportionnellement à la taille du moteur, le volume disponible pour les fils conducteurs des bobines est donc proportionnellement réduit. Les performances desdits moteurs sont en conséquence dégradées.
[0007] Les solutions de l'art antérieur se heurte de ce fait à des limites de miniaturisation pour une puissance fixée.
Solution apportée par l'invention
[0008] L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient et concerne selon son acception la plus générale un moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques et par un rotor aimanté, la partie statorique présentant des dents s'étendant radialement caractérisé en ce que, la partie statorique comporte : trois dents bobinées consécutives, portant chacune une bobine, dans un premier secteur angulaire, une à trois dents complémentaires non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire.
[0009] Dans un cas particulier, lesdites dents non bobinées sont configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées.
[0010] Dans autre cas particulier, la largeur angulaire, la longueur, et éventuellement la forme, desdites dents non bobinées sont ajustées de manière à sculpter la courbe de couple sans courant du moteur électrique triphasé, pour privilégier la régularité et la douceur ou une indexation plus ou moins raide du couple sans courant.
[0011] Encore dans un autre cas particulier, la largeur angulaire, la longueur et éventuellement la forme desdites dents non bobinées sont ajustées de manière à équilibrer les forces magnétiques radiales s'exerçant entre le rotor et les dents du stator.
[0012] Avantageusement, l'écart angulaire entre deux dents bobinées consécutives est de 60°.
[0013] Selon un premier mode de réalisation, le stator comporte six dents, avec trois dents non bobinées avec un écart de 60°, diamétralement opposées auxdites dent bobinée.
[0014] Selon un deuxième mode de réalisation, le stator comporte cinq dents, avec une dent non bobinée de part et d'autre dudit premier secteur angulaire, avec un écart de 60° entre la dent non bobinée et la dent bobinée consécutive.
[0015] Selon un troisième mode de réalisation, le stator comporte quatre dents, avec une dent non bobinée diamétralement opposée à la dent bobinée centrale.
[0016] Selon une variante, la longueur des bobines mesurée radialement et inférieure au diamètre du rotor, pour faciliter l'insertion.
[0017] Selon une autre variante, le stator est réalisé en deux parties pour pouvoir insérer des bobines longues.
[0018] Selon une variante, le moteur électrique comporte trois dents non bobinées séparées par un angle de 60°, chacune des dents non bobinées étant diamétralement opposée à l'une desdites dents bobinées. [0019] Selon une autre variante, le moteur électrique comporte deux dent non bobinées situées dans le second secteur angulaire, l'angle formé entre chaque dent non bobinée et la dent bobinée adjacente étant identique.
[0020] Selon encore une autre variante, le moteur électrique comporte une unique dent non bobinée, ladite dent non bobinée étant diamétralement opposée à la dent bobinée centrale.
[0021] En particulier, le stator présente une découpe entre lesdites dents non bobinées, l'espace ainsi libéré permettant de loger une sonde magnéto-sensible pour mesurer la position du rotor.
[0022] Selon une version, la longueur des bobines mesurée radialement est inférieure au diamètre du rotor.
[0023] Selon une autre version, le stator en est réalisé deux parties, ou plus.
[0024] Selon encore une autre version, le rotor présente 2N paires de pôles magnétiques, N étant un entier naturel inférieur ou égal à 2.
[0025] Motoréducteur muni d'un boîtier comportant un moteur électrique triphasé, ainsi qu'une transformation de mouvement.
[0026] Motoréducteur avec un boîtier comporte également une électronique de commande présentant les moyens de pilotage dudit moteur électrique triphasé.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation
[0027] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où :
[FIGURE 1] La figure 1 représente une vue en perspective d'un premier exemple de réalisation,
[FIGURE 2] la figure 2 représente une vue de face d'un premier exemple de réalisation,
[FIGURE 3] la figure 3 représente une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation, [FIGURE 4] la figure 4 représente une vue d'une tôle statorique d'un premier exemple de réalisation,
[FIGURE 5] la figure 5 représente une vue d'une tôle statorique d'une variante du premier exemple de réalisation présentant des dents inégales,
[FIGURE 6a],
[FIGURE 6b],
[FIGURE 6c] les figures 6a, 6b, 6c représentent les courbes typiques de couple selon le premier exemple de réalisation optimisé,
[FIGURE 7] la figure 7 représente une vue en perspective d'un troisième exemple de réalisation,
[FIGURE 8a],
[FIGURE 8b],
[FIGURE 8c] les figures 8a, 8b, 8c représentent les courbes typiques de couple selon le troisième exemple de réalisation optimisé,
[FIGURE 9] la figure 9 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation alternatif d'un stator selon l'invention,
[FIGURE 10] la figure 10 représente une vue en perspective de différentes variantes de rotor selon l'invention,
[FIGURE 11] La figure 11 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation alternatif d'un stator selon l'invention,
[FIGURE 12] La figure 12 représente une vue en perspective de couplage de l'invention à un réducteur, [FIGURE 13] La figure 13 représente une vue en perspective d'une variante de couplage de l'invention à un réducteur,
[FIGURE 14] La figure 14 représente une vue en perspective d'une variante de couplage de l'invention à un réducteur,
[FIGURE 15] La figure 15 représente une vue en perspective de la variante présentée en figure 14 et intégrée dans le boîtier d'un motoréducteur,
[FIGURE 16] la figure 16 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation alternatif selon l'invention muni d'un rotor à 2 paires de pôles,
[FIGURE 17] la figure 17 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation alternatif selon l'invention muni d'un stator présentant une unique dent non bobinée,
[FIGURE 18] la figure 18 représente une simulation des forces magnétiques sur chacune des dents pour deux largeurs différentes des dents non bobinées,
[FIGURE 19] la figure 19 représente une simulation de la résultante des forces magnétiques s'appliquant sur le stator pour deux largeurs différentes des dents non bobinées.
Principe général
[0028] La présente invention a donc pour but de proposer un moteur, destiné notamment à équiper un moto-réducteur, qui soit économique et robuste, adapté aux grandes séries, et comportant pour cela un moteur électrique polyphasé permettant une intégration facile avec un réducteur ou un système de transformation de mouvement, en respectant toutes les contraintes posées en termes de dimensions extérieures et de masse.
[0029] Pour des structures de petite dimension, l'espace entre les dents est insuffisant avec les architectures statoriques de l'art antérieur et ne permet pas de loger suffisamment de cuivre dans les encoches. En effet, les corps de bobines présentent une largeur non négligeable par rapport à la dimension du moteur et comme ils ne peuvent pas être réduits pour des raisons de moulabilité et de résistance diélectrique à garantir entre les bobines et les tôles statoriques, il faut augmenter la place disponible pour le cuivre. Le passage à un nombre moindre de dents proposé par l'invention permet d'augmenter le volume de cuivre disponible. Le corps de bobine restant de volume constant, le ratio volume de cuivre sur volume du corps de bobine est donc favorablement impacté. La solution objet de l'invention consiste à choisir une structure de trois dents bobinées consécutives, auxquelles on ajoute une à trois dents non bobinées, soit au total 4 à 6 dents en combinaison avec un rotor muni au maximum de 4 paires de pôles, les dents étant réparties à 60° ou 120° les unes des autres. Le facteur de bobinage d'unestructure 6 dents 4 paires de pôles étant magnétiquement défavorable en comparaison des structures précédemment citées à 12 dents 5 paires de pôles, l'homme de métier ne la choisira pas naturellement sauf si la contrainte d'encombrement est suffisamment forte
[0030] Le moteur est alimenté avec 3 bobines seulement (sur un maximum de 6 qu'il pourrait porter) car ceci permet de réduire le volume total de corps de bobine, et donc maximise celui de cuivre, et simplifie grandement les connexions électriques.
[0031] La solution magnétique associant un stator présentant des dents bobinées séparées mécaniquement de 60° et un rotor présentant 4 paires de pôles n'est pas triviale car cette configuration présente un couple sans courant de faible rang harmonique et donc d'amplitude importante. L'invention se propose de résoudre ce problème en choisissant des largeurs angulaires de dents spécifiques.
[0032] La structure statorique est asymétrique, l'ensemble des bobines étant distribuée sur 3 dents situées dans un même secteur angulaire inférieur à 180°. Le secteur angulaire complémentaire présente une, deux ou trois dents nues, c'est-à-dire dépourvues de bobines, de manière à contrebalancer les efforts magnétiques.
[0033] L'augmentation de la longueur des dents non bobinées n'ayant aucune incidence bénéfique sur les performances de la machine à partir d'une certaine longueur, il est possible de les choisir plus courtes que les dents bobinées, ceci conduisant à pouvoir inscrire le secteur angulaire complémentaire, contenant les dents non bobinées, dans une empreinte circulaire de rayon R2 plus court que RI, celui de l'empreinte circulaire inscrivant le secteur angulaire contenant les dents bobinées.
Premier exemple de réalisation [0034] Les figures 1 à 4 correspondent à un premier mode de réalisation d'une variante à six dents (1 à 6). Trois dents consécutives (1 à 3) sont bobinées, avec des bobines respectivement (11 à 13) supportées par un noyau isolant (21 à 23), formant un angle de 60° entre elles, complété par trois dents (4 à 6) plus courtes et non bobinées.
[0035] Les dents s'étendent radialement par rapport à une zone périphérique annulaire (10).
[0036] Le stator (30) est formé de manière connue par un empilement de tôles (20) découpées dans une feuille de métal ferromagnétique. Les bobines (11 à 13) sont montées sur un noyau (21 à 23) présentant des contacts (31 à 33 ; 41 à 43) de type « pressfit » permettant la liaison avec un circuit imprimé.
Détermination des caractéristiques des dents non bobinées
[0037] La largeur angulaire, a2, et la longueur des dents non bobinées (4 à 6), et éventuellement leur forme, sont ajustés en fonction du comportement recherché en matière de couple sans courant, qui peut privilégier la régularité et douceur (« smoothness ») ou une indexation plus ou moins raide. Ces caractéristiques peuvent être déterminées de manière empirique, par des ajustements successifs d'un prototype de rotor, ou par modélisation du couple sans courant. Pour un moteur présentant 6 dents successivement séparées d'un de 60° mécaniques et en combinaison avec un rotor présentant 4 paires de pôles, le couple sans courant, C0, peut être minimisé en choisissant des dents présentant une extrémité frontale d'épanouissement angulaire identique, aQ, et d'une valeur située entre 22° et 23°. Néanmoins cette configuration à dents identiques n'est pas forcément optimale car elle limite l'espace que nous pouvons allouer aux bobines (11, 12, 13). Une variante de réalisation selon l'invention, présentée en figure 5, propose de solutionner ce problème en choisissant une largeur angulaire, a2, des dents non bobinées (4 à 6) plus importante que celle des dents bobinées (1 à 3), a . De bons résultats sont obtenus lorsque les dents non bobinées (4 à 6) sont élargies et les dent bobinées (1 à 3) sont affinées de manière à garder un épanouissement angulaire total constant, c'est-à-dire, par exemple si les dents bobinées sont affinées de x°, soit a = a0 — x, alors les dents non bobinées doivent être élargies d'une valeur identique de x°, soit a2 = a0 + x. Nous pouvons ainsi imaginer des combinaisons de largeur de dents très disparates, x pouvant aller jusqu'à 5° et conduisant à des dents non bobinées (4 à 6) avec a2 = 27° associées à des dents bobinées (1 à 3) avec a = 17°. La règle mathématique de dimensionnement des dents n'est pas absolue et limitative de l'invention, mais seulement donnée pour illustrer une tendance, l'homme de métier pourra alors obtenir une compensation parfaite en réalisant des simulations numériques et des ajustements empiriques pour des valeurs proches de celles enseignées.
[0038] Les figures 6a, 6b, 6c représentent les variations de couple dues à l'harmonique 3 d'aimantation, perçues par une dent bobinée et une dent non bobinée en fonction de l'angle mécanique et représentées pour une période électrique et pour un ratio entre les largeurs angulaires des dents bobinées alt et des dents non bobinées a2 optimisé pour minimiser l'ondulation de couple sans courant C0. Les figures 6a, 6b, 6c présente le cas d'un stator à 6 dents. Pour une structure à 4 paires de pôles et des dents réparties à des angles mécaniques multiples de 60° (0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°), l'ondulation de couple sans courant, C0, est principalement due à l'harmonique 3 d'aimantation et produit une ondulation d'une fréquence 6 fois plus grande que la période magnétique, que l'on appelle C06. Ainsi, la figure 6a présente en courbe (101) la simulation du couple C06 perçu par la dent (1) bobinée et la courbe (102) représente la somme des couples C06 perçus par l'ensemble des dents (1 à 3) bobinées. Ces couples présentent une amplitude non négligeable comparés au couple généré par une bobine, courbe (100), lors de son alimentation avec le courant nominal. Un couple sans courant trop élevé générera des vibrations indésirables lors du fonctionnement, entraînant une usure prématurée et du bruit. Il est ainsi très important de le limiter autant que possible. La figure 6b présente en courbe (103) le couple C06 simulé pour la dent (4) non bobinées et la courbe (104) présente la somme des couples C06 sur l'ensemble des dents (4 à 6) non bobinées. On peut noter, comme le montre la figure 6c, que les couples C06 simulés pour les dents bobinées, courbe (102), et pour les dents non bobinées, courbe (104), sont de même amplitude mais de phase opposée, ce qui conduit à une annulation parfaite du couple C06 sommé sur la totalité des dents (1 à 6) et représenté par la courbe (110). Deuxième exemple de réalisation
[0039] La figure 7 présente une autre variante de réalisation avec uniquement deux dents non bobinées (4 et 6) et non reliées entre elles, mais reliées aux dents bobinées respectivement (1 et 3) entourées des bobines (11, 13). Le stator entoure un rotor (50) aimanté. On entend par dents non reliés, qu'il existe une interruption de la continuité magnétique entre ces dents au niveau du plus petit angle les séparant, par exemple à l'aide d'une découpe entre lesdites dents du paquet de tôles constituant le stator. L'espace libéré entre les dents non bobinées (4, 6) permet de loger une sonde magnéto-sensible (30) pour mesurer la position du rotor et piloter l'alimentation électrique des bobines.
[0040] Contrairement au cas à 6 dents régulièrement réparties, une structure à 5 dents réparties à des angles mécaniques multiples de 60° (0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) mécanique, ne présente pas un minimum de couple sans courant lorsque les dents présentent une extrémité frontale d'épanouissement angulaire identique. Néanmoins l'invention propose de résoudre ce problème en choisissant une largeur angulaire, a3, des dents non bobinées (4, 6) plus importante que celle des dents bobinées (1 à 3), a . De bons résultats sont obtenus lorsque l'épanouissement angulaire des dents non bobinées, a3, est identique et que leur total est égal à l'épanouissement angulaire total des dents bobinées elles aussi identiques, l'épanouissement angulaire d'une dent bobinée, al t étant situé entre 22° et 23°. Ceci conduisant à la relation 3 x = 2 x a3. Comme expliqué pour le mode de réalisation précédent, cet épanouissement angulaire a n'est pas forcément unique ni optimal et nous pouvons le réduire de manière à pouvoir allouer plus de places au bobines (11, 12 ,13). Cette réduction doit s'accompagner d'une augmentation de la largeur angulaire a3 des dents non bobinées de manière à garder l'épanouissement angulaire des dents (1, 2, 3 ,4, 6) constant. Par exemple si les dents bobinées (1, 2, 3) sont affinées de x°, soit a = a0 — x, alors les dents non bobinées (4, 6) doivent être élargies d'une valeur complémentaire, soit
3 a3 = a0 + -x, de manière à satisfaire la relation 3 x a1 = 2 x a3. Nous pouvons ainsi imaginer des combinaisons de largeur de dents très disparates, x pouvant aller jusqu'à 5° et conduisant à des dents bobinées (1 à 3) avec a = 17° associées à deux dents non bobinées (4, 6) avec a3 = 40,5°. La règle mathématique de dimensionnement des dents n'est pas absolue et limitative de l'invention, mais seulement donnée pour illustrer une tendance, l'homme de métier pourra alors obtenir une compensation parfaite en réalisant des simulations numériques et des ajustements empiriques pour des valeurs proches de celles enseignées. L'homme de métier pourra également modifier l'écart angulaire entre les dents non bobinées et les dents bobinées directement adjacentes pour remplir cet objectif. Il pourra ainsi différer de 60°, l'important étant que l'écart angulaire entre une dent non bobinée et la dent bobinée adjacente soit identique.
[0041] Les figures 8a, 8b, 8c représentent les variations de couple dues à l'harmonique 3 d'aimantation, perçues par une dent bobinée et une dent non bobinée en fonction de l'angle mécanique et représentées pour une période électrique et pour un ratio entre les largeurs angulaires des dents bobinées alt et des dents non bobinées a2 optimisé pour minimiser l'ondulation de couple sans courant C0. Les figures 8a, 8b, 8c présentent le cas d'un stator à 5 dents. Plus particulièrement, la figure 8a présente en courbe (105) la simulation du couple C06 perçu par la dent (1) bobinée et la courbe (106) représente la somme des couples C06 perçus par l'ensemble des dents (1 à 3) bobinées. Ces couples présentent une amplitude non négligeable comparés au couple généré par une bobine, courbe (100), lors de son alimentation avec le courant nominal. Il est ainsi très important de le limiter autant que possible. La figure 8b présente en courbe (107) le couple C06 simulé pour la dent (4) non bobinées et la courbe (108) présente la somme des couples C06 sur l'ensemble des dents (4, 6) non bobinées. On peut noter, comme le montre la figure 8c, que les couples C06 simulés pour les dents bobinées, courbe (106), et pour les dents non bobinées, courbe (108), sont de même amplitude mais de phase opposée, ce qui conduit à une annulation parfaite du couple C06 sommé sur la totalité des dents (1 à 6) et représenté par la courbe (110).
[0042] Une dernière alternative, non représentée, est de compenser le couple sans courant à l'aide d'une seule dent non bobinée située dans le secteur angulaire complémentaire.
[0043] Les figures 6a, 6b, 6c d'une part et 8a 8b, 8c d'autre part illustrent la compensation parfaite du couple sans courant C06, réalisé à l'aide de largeurs de dents spécifiques. Néanmoins la compensation du couple sans courant n'est pas limitative de l'invention, car pour certaines applications une amplitude de couple sans courant non nulle est désirée, par exemple pour assurer un blocage de l'actionneur lorsqu'il n'est pas alimenté. L'homme de métier pourra alors ajuster la largeur des dents bobinées pour optimiser les performances de sa machine, puis ajuster la largeur des dents non bobinées pour obtenir la valeur du couple sans courant désirée.
[0044] Dans d'autres cas de figures, lorsqu'un minimum de bruit est recherché sur cette structure de stator asymétrique, il est déterminant de prêter attention aux forces radiales s'exerçant entre les dents et le rotor et de chercher à, soit les équilibrer au mieux pour éviter une résultante de force directionnelle exercée sur le rotor, soit pour minimiser les forces radiales s'exerçant sur les dents, qui conduisent à des excitations vibratoires de la structure statorique. L'homme de métier saurait également ajuster la largeur angulaire des dents bobinées et non bobinées pour répondre à cet objectif. Les figures 18 et 19 illustrent les forces magnétiques statoriques et les comparent pour deux largeurs de dents différentes, soit lorsque les dents non bobinées sont de même largeur angulaire que les dents bobinées ou soit lorsque les bobinées sont plus larges. La figure 18 représente une simulation des forces magnétiques dans le plan des tôles (x, y), sur chaque dent, et pour toutes les positions rotoriques, lorsqu'il est entraîné par l'alimentation des bobines sur une période électrique, chaque ellipsoïde correspondant à une dent. Les courbes (201, 202, 203) représentent les forces sur les dents bobinées (1, 2, 3) lorsque toutes les dents sont égales, les courbes (204, 205, 206) représentent les forces sur les dents non bobinées (4, 5, 6) lorsque toutes les dents sont égales, les courbes (301, 302, 303) représentent les forces sur les dents bobinées (1, 2, 3) lorsque les dents non bobinées sont angulairement plus larges, et les courbes (304, 305, 306) représentent les forces sur les dents non bobinées (4, 5, 6) lorsque les dents non bobinées sont angulairement plus larges. On peut remarquer que lorsque les dents non bobinées sont plus larges, les ellipsoïdes ont une surface plus faible, ce qui correspond à des forces plus faibles. Ceci est attesté par la figure 19 qui illustre la résultante des forces s'appliquant sur le stator pour toutes les dents de même largeur angulaire (210) ou lorsque les dents bobinées présentent une largeur angulaire supérieure (310). On remarque que non seulement l'amplitude des forces est plus faible dans le second cas, mais qu'elles sont aussi plus symétriques car l'ellipsoïde présente un meilleur centrage dans le plan des forces. [0045] Enfin la répartition de dents non bobinées, d'épanouissement angulaire identique, à des angles multiples de 60° (soit 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) ne permet encore une fois que d'optimiser le couple sans courant C06 et l'homme de métier pourrait imaginer une autre répartition, mais aussi des largeurs angulaires différentes pour les dents non bobinées, pour par exemple libérer de l'espace dans le secteur angulaire complémentaire.
Stator assemblé
[0046] Selon une variante de réalisation présentée en figure 9, le stator (8) peut être formé de deux parties assemblées, par exemple par une queue d'aronde, l'une des parties (81) comportant le secteur angulaire avec les dents supportant les bobines (11, 12, 13), et l'autre partie (82) comportant le secteur angulaire complémentaire présentant les dents non bobinées (4, 5, 6). Cette réalisation permet notamment d'enfiler des bobines (11, 12, 13) longues, dont la longueur est supérieure au diamètre du rotor (50).
Variantes de rotors
[0047] L'invention ne se limite pas à un rotor de type bague de 4 paires de pôles, tel que présenté dans la figure 1, mais peut utiliser n'importe quelle déclinaison de rotor connue de l'homme de métier. Par exemple, et tel que représenté en figure 10, le rotor (501) peut présenter 8 aimants (51) enterrés, mais on pourrait aussi imaginer une alternative plus économe en aimant, telle que celle présentée sur cette même figure avec le rotor (502), en alternant des pôles en aimant (53) avec des pôles saillants (52) en un matériau ferromagnétique doux.
[0048] Préférentiellement, le rotor comporte 4 paires de pôles aimantés, l'invention ne se limitant toutefois pas à ce nombre, un nombre de pôles inférieur pouvant également être utilisé, tout en bénéficiant des avantages conférés par l'invention, en choisissant judicieusement les caractéristiques géométriques des dents (4 à 6) dépourvues de bobines. Le nombre de paires de pôles, p, présentant les meilleurs avantages sont obtenus selon la formule p = 2N , N étant un entier naturel inférieur ou égal à 2, soit 0, 1 ou 2. Ainsi la figure 16 présente une variante possible de rotor munie de 2 paires de pôles.
Variante de stator à bec de dents
[0049] Selon une variante de réalisation présentée en figure 11, les dents bobinées (1, 2, 3) peuvent présenter un évasement frontal, appelé bec de dent, permettant d'allouer plus d'espace pour les bobines tout en optimisant la collection du flux rotorique. A noter que les dents non bobinées peuvent elles-aussi, en complément ou alternativement, présenter des becs de dents de manière à, par exemple, affiner les dents pour alléger au maximum le stator.
Utilisation dans un motoréducteur
[0050] L'invention suivant toutes ses variantes présente un intérêt pour son intégration dans un motoréducteur. Les figures 12, 13 et 14 illustrent différentes configurations de couplage du rotor avec le premier module d'un train de réduction et la figure 15 montre une intégration possible dans un boîtier de motoréducteur comportant également une électronique de commande présentant les moyens de pilotage du moteur triphasé. Le rotor (50) est solidaire d'un pignon (51) qui engrène sur la rue dentée d'un premier module (52) de réduction de mouvement. Ce premier module est supporté par un axe (53) dont la disposition est limitée par l'encombrement du circuit magnétique. La figure 12 illustre la possibilité d'insérer cet axe entre deux dents (4, 5) non bobinées, ce qui permet d'obtenir une plus grande latitude pour les diamètres du pignon (51) et de la roue du module (52) et donc plus de choix sur la réduction de ce premier étage. La figure 13 illustre un autre positionnement possible de l'axe (53) en périphérie de deux bobines (12, 13). Cette configuration permet de libérer complètement l'espace situé dans le secteur angulaire ne contenant pas de bobine et donc de positionner le stator dans le coin du boîtier d'un motoréducteur de manière à obtenir une solution très compacte. Enfin la figure 14 illustre la possibilité d'insérer l'axe (53) dans le secteur angulaire libre d'une version de l'invention à deux dents non bobinées, telle que présentée en figure 7. En effet les deux dents non bobinées (4, 6) ne sont pas reliées par un circuit ferromagnétique et l'espace libre peut être utilisé pour loger le pignon (54) du premier module (52) de la chaîne de réduction. Ceci permet d'obtenir une version très compacte dans la direction axiale.

Claims

Revendications
1 - Moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques (11 à 13) et par un rotor (50) comportant une pluralité de pôles aimantés, la partie statorique présentant des dents (1 à 6) s'étendant radialement, caractérisé en ce que, la partie statorique comporte :
- trois dents bobinées (1 à 3) consécutives, portant chacune une bobine (11 à 13), dans un premier secteur angulaire,
- une à trois dents complémentaires (4 à 6) non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire.
2 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la largeur angulaire, la longueur, et éventuellement la forme, desdites dents non bobinées (4 à 6) sont ajustées de manière à sculpter la courbe de couple sans courant du moteur électrique triphasé, pour privilégier la régularité et la douceur ou une indexation plus ou moins raide du couple sans courant.
3 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la largeur angulaire, la longueur et éventuellement la forme desdites dents non bobinées (4 à 6) sont ajustées de manière à équilibrer les forces magnétiques radiales s'exerçant entre le rotor et les dents du stator.
4 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'écart angulaire entre deux dents bobinées (1, 2, 3) consécutives est de 60°.
5 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte trois dents non bobinées (4 à 6) séparées par un angle de 60°, chacune des dents non bobinées (4 à 6) étant diamétralement opposée à l'une desdites dents bobinées (1 à 3).
6 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte deux dent non bobinées (4, 6) situées dans le second secteur angulaire, l'angle formé entre chaque dent non bobinée et la dent bobinée adjacente étant identique. 7 - Moteur électrique triphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le stator présente une découpe entre lesdites dents non bobinées, l'espace ainsi libéré permettant de loger une sonde magnéto-sensible pour mesurer la position du rotor.
8 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une unique dent non bobinée (5), ladite dent non bobinée (5) étant diamétralement opposée à la dent bobinée (2) centrale.
9 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la longueur des bobines (11 à 13) mesurée radialement est inférieure au diamètre du rotor (50).
10 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le stator en est réalisé deux parties (81, 82), ou plus.
11 - Motoréducteur muni d'un boîtier comportant un moteur électrique triphasé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi qu'une transformation de mouvement.
12 - Motoréducteur selon la revendication précédente caractérisé en ce que le boîtier comporte également une électronique de commande (100) présentant les moyens de pilotage dudit moteur électrique triphasé.
13 - Moteur électrique triphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rotor (50) présente 2N paires de pôles magnétiques, N étant un entier naturel inférieur ou égal à 2.
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