WO2023110615A1 - Machine électrique tournante à capteur magnétique - Google Patents

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WO2023110615A1
WO2023110615A1 PCT/EP2022/084961 EP2022084961W WO2023110615A1 WO 2023110615 A1 WO2023110615 A1 WO 2023110615A1 EP 2022084961 W EP2022084961 W EP 2022084961W WO 2023110615 A1 WO2023110615 A1 WO 2023110615A1
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WO
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machine
magnetic
rotor
offset
stator
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/084961
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English (en)
Inventor
Ivan KRAVTZOFF
Edouard BOMME
Hanako FRIJLINK
Original Assignee
Moteurs Leroy-Somer
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Publication date
Application filed by Moteurs Leroy-Somer filed Critical Moteurs Leroy-Somer
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements
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    • H02K3/521—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only
    • H02K3/522—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only for generally annular cores with salient poles

Definitions

  • the present invention relates to the field of rotating electrical machines, and in particular machines comprising a so-called ‘twisted’ rotor, with an angular offset of the magnetization along the axis of rotation.
  • the signals from the magnetic sensors can be out of phase with the electromotive force (EMF) of the motor .
  • EMF electromotive force
  • This phase shift can create asymmetrical behavior depending on the direction of rotation of the motor if no precautions are taken with the control electronics, and is not always achievable, especially with basic drives.
  • Patent application US 2016/0276907 describes an electrical machine comprising a system configured to arrange the magnetic sensors in different positions on the stator.
  • magnetic pickups pick up the magnetic variations of a disc on the rotor shaft, not the magnetic variations of the rotor.
  • US Pat. No. 5,034,642 describes an electric machine comprising a twisted or complex-shaped rotor.
  • the rotor is divided into a main part and a detection part. Each boundary between two magnetic poles in the detection part is in the extension of a line of magnetic neutrality of the main part of the rotor.
  • the stator has Hall sensors positioned above the sensing portion of the rotor.
  • the invention thus relates, according to one of its aspects, to a rotating electrical machine comprising:
  • a rotor comprising at least one permanent magnet forming a plurality of magnetic poles, at least a non-zero portion of the boundary between two adjacent magnetic poles being angularly offset from the average angular position of magnetic neutrality between said two adjacent magnetic poles,
  • stator comprising teeth and at least one magnetic sensor of the angular position of the rotor, in particular a Hall effect probe, the magnetic sensor being associated with a tooth, the magnetic sensor being offset by a non-zero angle y with respect to a median radial plane of the associated tooth.
  • Median radial plane of a tooth means a radial plane passing through a longitudinal axis of the stator and through the center of said tooth.
  • mean angular position of magnetic neutrality between two adjacent poles is meant the mean over the entire length of the rotor of the angular position of the boundary between two adjacent poles. Note ⁇ the non-zero angle between the mean angular position of magnetic neutrality and a reference angular position, the reference angular position being that of the boundary between the two poles adjacent to one of the longitudinal ends of the rotor.
  • each magnetic sensor and the median radial plane of the associated tooth makes it possible to compensate for the twisting of the magnetic poles of the rotor to have better alignment between the signals from the magnetic sensor(s) and the electromotive force (EMF) of the motor.
  • EMF electromotive force
  • the performance of the electric machine is improved.
  • machine performance is not degraded.
  • this can make it possible to symmetrize its operation in a clockwise or anti-clockwise direction.
  • this offset makes it possible to reduce the torque ripples and the parasitic magnetic cogging torque.
  • the use of one or more magnetic sensors of the angular position of the rotor makes it possible to limit the manufacturing cost as well as the size of the machine, because the magnetic sensor(s) can be positioned in the stator winding.
  • the machine can be powered by a polyphase electric current with n phases, in particular three-phase.
  • the stator can include n magnetic sensors.
  • the machine is three-phase and comprises three magnetic sensors.
  • the machine may include a control unit for the electric machine, the control unit controlling the electric machine at least using data from the magnetic sensor(s).
  • the rotating electrical machine can be a motor or a generator. It may in particular be a booster.
  • the rotating electrical machine according to the invention may comprise the aforementioned magnetic sensor(s), and be devoid of encoder(s) to determine the angular position of the rotor.
  • the sensor(s) can make it possible to know the electrical angular position of the rotor even when the machine is not yet powered. They can be used from the first use.
  • the electrical angular position of the rotor is accurate to ⁇ 30° with three magnetic sensors.
  • magnetic sensors are advantageously less expensive than encoders.
  • the machine can also comprise at least one encoder of the angular position of the rotor, for example an incremental encoder or an absolute encoder.
  • the encoder or encoders do not use the magnetization of the rotor to supply information as to the angular position of the rotor.
  • the use of one or more encoders in addition to the magnetic sensor or sensors makes it possible to have redundancy in the angular position information of the rotor, for greater precision in the operation of the electric machine.
  • Each magnetic sensor can be associated with a tooth.
  • Each magnetic sensor can have a binary operation, i.e. it can transmit a high state and a low state.
  • the non-zero offset angle y of the magnetic sensor relative to the median radial plane of the associated tooth may be less than 20°, in particular less than 10°, in particular less than 5°.
  • the angle y can for example be 2.5°.
  • the angle y may in particular be greater than 0.1°, better still greater than 0.5°, or even greater than 1°.
  • the non-zero offset angle y of the magnetic sensor relative to the median radial plane of the associated tooth may in particular be equal to the angle ⁇ of the difference between the average angular position of magnetic neutrality and the reference angular position.
  • Such a configuration makes it possible to position the magnetic sensors circumferentially at the level of the mean angular position of magnetic neutrality, despite the non-zero angle ⁇ of the difference between the mean angular position of magnetic neutrality and the reference angular position.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be oriented in the same direction or the opposite direction as the offset angle ⁇ between the mean angular position of magnetic neutrality and the reference angular position.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be oriented to the left or the right when the tooth is observed from the axis of rotation of the machine, in the case where the offset angle ⁇ between the mean angular position of magnetic neutrality and the reference angular position is also to the left.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be oriented to the right or to the left when the tooth is observed from the axis of rotation of the machine, in the case where the angle ⁇ of offset between the mean angular position of magnetic neutrality and the reference angular position is also to the right.
  • the stator can comprise between 1 and 10 magnetic sensors.
  • the stator may comprise several magnetic sensors, the magnetic sensors each being placed on consecutive teeth.
  • the magnetic sensors can all be located on the same side of the machine with respect to a plane containing an axis of rotation of the machine.
  • the magnetic sensors can be angularly distributed in a uniform manner.
  • the number of teeth between two consecutive sensors can be constant.
  • the number of teeth can be a multiple of three, especially in the case of a three-phase machine.
  • the magnetic sensor or sensors may be embedded in a matrix made of an insulating material, for example a polymer material, in particular polyepoxide.
  • the magnetic sensor(s) may be supported by a support piece.
  • Said support piece can also include electronic components such as capacitors, resistors or the like, as well as electrical conductors. Said electrical conductors make it possible to supply information from the magnetic sensors to a control unit.
  • the stator comprises several magnetic sensors.
  • Each magnetic sensor can be associated with a tooth, each magnetic sensor being offset by a non-zero angle y with respect to a median radial plane of the associated tooth.
  • Each tooth can comprise, in a conventional manner, a stack of superimposed magnetic laminations, which can each be coated with an insulating varnish.
  • the stator may include a plurality of coils associated with the teeth.
  • Each coil can be associated with a tooth.
  • the stator is said to be wound on a tooth.
  • the winding could be distributed, a coil surrounding several teeth, consecutive or not.
  • the stator can have between 3 and 100 teeth. In an exemplary embodiment, the stator has 9 teeth.
  • the stator When the winding is distributed, the stator can have between 3 and 96 teeth. When the stator is wound on a tooth, the stator can have between 3 and 27 teeth.
  • the teeth of the stator form a magnetic circuit thereof.
  • the stator of the electric machine generally comprises, in addition to the magnetic circuit, an electric circuit and an insulation system.
  • the stator may comprise sectors, each sector comprising a tooth.
  • Each sector can comprise a cylinder head part and a tooth oriented towards the rotor.
  • the coils can be wound on the teeth before the sectors are assembled.
  • Each tooth can be oriented towards the rotor.
  • Each tooth can be oriented perpendicular to a longitudinal axis of the stator.
  • Each tooth can be oriented along a radial axis passing through the center of the rotor.
  • each tooth can be oriented from the cylinder head towards the air gap.
  • Two consecutive sectors may comprise, on their faces in contact, reliefs having complementary shapes allowing interlocking.
  • the stator can be received in a casing.
  • the electric machine may comprise a casing receiving the stator and the rotor.
  • the rotor may include a rotor mass to receive the permanent magnet or magnets.
  • the rotor mass can be placed on a shaft of the machine.
  • the shaft can be magnetic or non-magnetic.
  • Each magnetic pole can have two longitudinal ends offset angularly relative to each other by a non-zero angle a.
  • the rotor can be twisted helically.
  • the angle a corresponds to the twist angle of the propeller.
  • the angle ⁇ between the mean angular position of magnetic neutrality and the reference angular position is equal to a/2.
  • the offset angle ⁇ of the two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor may be less than 20°, in particular less than 15°, in particular less than 10°.
  • the offset angle a can, for example, be 5°.
  • the offset angle ⁇ may in particular be greater than 0.1°, better still greater than 0.5°, or even greater than 1°.
  • a ratio a/y between the angle a of offset of the two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor and the angle y of offset of the magnetic sensor relative to the median radial plane of the associated tooth can be between 1 and 4, better between 1.5 and 3, or even between 1.7 and 2.5.
  • the ratio a/y can for example be 2.
  • the non-zero offset angle y of the magnetic sensor relative to the median radial plane of the associated tooth may in particular be equal to the half-angle a/2 of the angular offset a of the two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor, in particular when the rotor is twisted helically. Such an offset can make it possible to symmetrize clockwise and anti-clockwise operation without having to resort to a more complex drive which would allow asymmetrical operation.
  • Such a configuration makes it possible to position the magnetic sensors circumferentially in the middle of the magnetic poles of the rotor, despite the angular offset at the rotor between the two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be oriented in the same direction or the opposite direction as the offset has from the two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor.
  • the direction of the orientation of the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be determined according to the desired alignment convention between the signals of the magnetic sensor(s) and the electromotive force (EMF) of the motor.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be oriented to the left or the right when the tooth is observed from the axis of rotation of the machine, in the case where the offset has two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor is also to the left.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor can be oriented to the right or to the left when the tooth is observed from the axis of rotation of the machine, in the case where the offset has two longitudinal ends of each magnetic pole of the rotor is also to the right.
  • the rotor may comprise a magnetized ring in sectors in order to form the magnetic poles.
  • the magnetic poles can be magnetized radially or axially, preferably radially.
  • the rotor could comprise a plurality of permanent magnets received on or in a rotor mass.
  • the permanent magnets can be arranged on the surface of the rotor mass, or in the latter, being buried for example. They can be arranged circumferentially, or in one or more rows, in U, V or W, or arranged with a flux concentration.
  • the rotor may comprise a shaft receiving the magnetized ring or, where appropriate, the plurality of magnets.
  • the rotor can be formed of one or more stages of permanent magnets, for example assembled in zig-zag.
  • the rotor is formed of a plurality of untwisted rotors, that is to say without angular offset of the poles, assembled together.
  • the rotor may have four poles to twenty-four poles, or more. In one embodiment, the rotor has eight poles.
  • the length of the rotor can be greater than that of the teeth of the stator.
  • the length of the rotor is measured along an axis of rotation of the machine, between the two longitudinal ends of the rotor.
  • the length of the teeth of the stator is measured along an axis of rotation of the machine, between the two longitudinal ends of the teeth of the stator.
  • the rotor can for example protrude by a length of between 0 mm and 5 mm from the teeth of the stator, in particular by approximately 2 mm.
  • the rotor can protrude from only one side of the teeth of the stator, or alternatively from both sides, symmetrically or not. Having the rotor protrude symmetrically on both sides of the teeth improves the mechanical resistance of the machine and limits the axial force exerted on the bearings of the machine.
  • Such a configuration makes it possible to ensure that the sensor or sensors properly cover the rotor, which allows better detection of the magnetic field variations by the magnetic sensors.
  • the axial position of the rotor can be central with respect to the stator so as not to dissymmetrical the mechanical forces on the rotor.
  • the length of the rotor is at least equal to that of the teeth of the stator.
  • each sector may have two longitudinal ends on which end insulators are placed.
  • Each end insulator may include a space into which a longitudinal end of the associated sector engages.
  • a matrix made of an insulating material for example a polymer material, in particular polyepoxide
  • at least part of the end insulators, of the sectors and, where appropriate, of the coils of the stator can be at least partially embedded in said matrix of insulating material.
  • the part of the stator sector which is engaged in the end insulator can constitute an active part of the machine without encroaching on the useful dimension of the end insulator in the air at its periphery.
  • each end insulator can advantageously be made in such a way as to participate in maintaining coils on the sectors, and therefore teeth, and each end insulator can in particular comprise a groove formed between radially inner and outer extensions, groove in which engages the coil associated with the corresponding sector and tooth.
  • Each end insulator can be arranged to engage with or without friction on the longitudinal end of the corresponding sector. Engagement with friction can prevent the end insulation from sticking to the sector.
  • Each sector may comprise, at at least one longitudinal end, a narrower end portion, which may be covered at least partially by a corresponding end insulator.
  • This narrower end portion can be delimited axially by two shoulders located on opposite sides of the sector.
  • the narrower end portions which engage in the end insulators can be formed by sheets having reduced dimensions compared to the sheets located between the end portions.
  • Each sector can thus comprise a stack of a first type of sheets, and on either side of this stack, two stacks of a second type of sheets, intended to form the aforementioned end portions.
  • the sheets forming the sectors may comprise, on their facing faces, reliefs which can cooperate so as to hold the sheets together.
  • Each sheet may thus comprise on one side a male shape and on the opposite side a female shape, the male and female shapes having been formed for example simultaneously by stamping the sheet.
  • each end insulator comprises a skirt arranged to cover the end portion of the sector, in particular a skirt having a thickness substantially corresponding to the width of the corresponding shoulder.
  • the aforementioned skirt can thus have an outer surface extending substantially in alignment with the side faces of the associated sector, when the end insulator is fixed to this sector. This can allow each notch of the stator formed between the teeth of two successive sectors to have a substantially constant cross-section along the axis of the machine, including between the end insulators. Therefore, the filling coefficient of the notch can be optimum.
  • Each sector can be engaged in two end insulators each placed at a longitudinal end thereof.
  • the machine may comprise insulating sheets each totally or partially surrounding a part of a coil which extends axially along the corresponding tooth.
  • the insulating sheets can be pinched between the end insulators and the end portions of the corresponding sectors, such pinching being sufficient to hold them in place on the sectors until the operation of winding the teeth, if necessary.
  • the insulating sheets can also be glued to the end insulation and cover it.
  • the end insulation may not extend radially to the radially outermost surface of the corresponding sector.
  • Each end insulator is advantageously made by molding plastic material, preferably in one piece.
  • At least one end insulator may comprise a housing at least partially receiving a magnetic sensor.
  • the machine may include at least one end insulator not receiving a magnetic sensor.
  • Said housing can be offset by a non-zero angle P with respect to a median radial plane of the associated tooth.
  • the angle P can in particular be equal to the angle y.
  • the manufacture of the end insulators can be easily adapted in order to modify the positioning of the housing, and therefore the position of the magnetic sensors with respect to their associated tooth.
  • a rotating electrical machine for example modify its rotor, by changing only the end insulators on the stator, which is a significant cost saving.
  • Another subject of the invention is a robot comprising at least one rotary electrical machine according to any one of the preceding claims.
  • a further subject of the invention is an electric bicycle comprising at least one rotating electric machine as defined above.
  • Figure 1 illustrates, partially and in perspective, an example of a rotating electrical machine according to the invention
  • Figure 2 is a schematic and partial section of the electrical machine of Figure 1,
  • Figure 3 illustrates, in perspective, schematically and partially, in isolation, the rotor mass of the rotor of the machine of Figure 1,
  • Figure 4 illustrates in top view, schematically and partially, in isolation, the rotor mass of the rotor of the machine of Figure 1,
  • Figure 5 illustrates, in longitudinal section, partially, the stator of Figure 1,
  • Figure 6 illustrates, in top view, part of the stator of Figure 1,
  • figure 7 illustrates, in perspective and in isolation, an end insulator of the stator of figure 1, and
  • FIG 8 Figure 8 schematically illustrates a robot according to the invention. detailed description
  • FIG. 1 There is illustrated in Figures 1 and 2 a rotary electric machine 1 according to the invention, in this example a servomotor.
  • the machine 1 comprises a rotor 2 extending along a longitudinal axis Z, visible in isolation in FIGS. 3 and 4.
  • the rotor 2 comprises a permanent magnet 7 in the form of a magnetized ring in sectors forming a plurality of magnetic poles 3 , in this example eight.
  • the magnetized ring is placed on a shaft of machine 1, not shown in figure 1.
  • rotor 2 is composed of alternating 3 north and south magnetic poles.
  • Each magnetic pole 3 has two longitudinal ends 4 angularly offset relative to each other by a non-zero angle a.
  • the angle a is measured, as can be seen in figure 4, in a transverse plane with the longitudinal axis Z of the rotor as its origin. In Figure 4, the angle a is measured at the boundary between two magnetic poles 3. In this example, the angle a is equal to 5°.
  • the angular offset is identical for all of the magnetic poles 3. Still in this example, the offset of the magnetic poles 3 increases regularly along the longitudinal axis Z, as shown in Figure 3.
  • each magnetic pole 3 comprises a non-zero portion of the boundary F between two adjacent poles 3 which is angularly offset from the mean angular position of magnetic neutrality PM between two adjacent poles 3.
  • the magnetic poles 3 are magnetized radially.
  • the machine 1 also includes a stator 10, visible in Figures 1 and 2.
  • the stator 10 is, in this example, received in a casing 15.
  • the stator 10 comprises several sectors 11, in this example nine sectors 11, forming a magnetic circuit of the stator 10. Two consecutive sectors 11 comprise, on their faces in contact, reliefs 14 having complementary shapes allowing interlocking.
  • Each sector 11 comprises, in a conventional manner, a stack of superimposed magnetic laminations, which can each be coated with an insulating varnish. As visible in Figure 2, each sector 11 comprises a cylinder head part 12 and a tooth 13 oriented towards the rotor 2.
  • the stator 10 of electric machine 1 generally comprises, in addition to the magnetic circuit, an electric circuit and an insulation system.
  • the stator 10 also comprises a plurality of coils 16 associated with the teeth 13 of the sectors 11, these coils 16 being, in this example, wound on the teeth 13 before the assembly of the sectors 11.
  • the coils 16 are not always represented on the other figures, for the sake of clarity.
  • the stator 10 also comprises three magnetic sensors 20, in this example Hall effect probes.
  • Each magnetic sensor 20 is associated with a tooth 13.
  • sensor 20a is associated with tooth 13a.
  • the magnetic sensors 20 are placed on the same side of the machine 1 with respect to a plane containing an axis of rotation of the machine 1.
  • the magnetic sensors 20 are, for example, positioned on the side of the machine comprising the longitudinal end 4 of the rotor 2 used for the reference position PO.
  • the magnetic sensors 20 are here angularly distributed in a uniform manner.
  • the number of teeth 13 between two consecutive sensors 20 is constant, for example two teeth 13 between two consecutive sensors 20.
  • the magnetic sensors 20 are, for example, supported by a support part 21, partially visible in FIG. 2.
  • Said part 21 can also comprise electronic components such as capacitors, resistors or the like, as well as electrical conductors. Said electrical conductors make it possible to supply information from the magnetic sensors to a control unit.
  • Each magnetic sensor 20 has a binary operation, that is to say it can transmit a high state and a low state.
  • each magnetic sensor 20 is offset by a non-zero angle y with respect to a median radial plane P of the associated tooth 13.
  • the offset is identical for each magnetic sensor 20.
  • the plane P passes through a longitudinal axis Y of the stator 10 and through the center of the associated tooth 13. In this example, as the sectors 11 and therefore the teeth 13 are radially symmetrical, the plane P passes through the radial plane of symmetry of the associated tooth 13.
  • the ratio a/y between the angle a of offset of the two longitudinal ends 4 of each magnetic pole 3 of the rotor 2 and the angle y of offset of the magnetic sensor 20 with respect to the median radial plane P of the tooth 13 associated is equal to 2, that is to say that the angle y is equal to 2.5°.
  • the non-zero offset angle y of the magnetic sensor 3 relative to the median radial plane P of the associated tooth 13 is equal to the angle ⁇ the difference between the mean angular position of magnetic neutrality PM and the reference angular position PO.
  • the offset of a non-zero angle y of the magnetic sensor 20 is here oriented in the same direction as the offset a of the two longitudinal ends 4 of each magnetic pole 3 of the rotor 2.
  • the length Lr of the rotor 2 is greater than the length Ls of the teeth 13 of the stator 10.
  • the length Lr of the rotor is equal to 14 mm and the length Ls of the stator 10 is equal to 12mm.
  • the length Lr of the rotor 2 is measured along an axis of rotation of the machine 1, between the two longitudinal ends 4 of the rotor 2.
  • the length Ls of the teeth 13 of the stator is measured along the axis of rotation of the machine 1, between the two longitudinal ends 17 of the teeth 13 of the stator 10.
  • the end insulators 30 are made in such a way as to help hold the coils 16 on the teeth 13, and each end insulator 30 has a groove 31 formed between radially inner and outer extensions, groove 31 in which the coil 16 associated with the corresponding tooth 13.
  • Each end insulator 30 is arranged to engage with friction on the longitudinal end of the corresponding sector 11.
  • Each sector 11 has, at each longitudinal end, a narrower end portion, not visible in the drawings, which can be covered at least partially by a corresponding end insulator 30. This narrower end portion can be delimited by shoulders on opposite sides of sector 11.
  • the narrower end portions which engage in the end insulators 30 can be formed by sheets having reduced dimensions compared to the sheets located between the end portions.
  • Each sector 11 can thus comprise a stack of a first type of sheets, and on either side of this stack, two stacks of a second type of sheets, intended to form the aforementioned end portions.
  • the sheets forming the sectors 11 may comprise, on their facing faces, reliefs which can cooperate so as to hold the sheets together.
  • Each sheet may thus comprise on one side a male shape and on the opposite side a female shape, the male and female shapes having been formed for example simultaneously by stamping the sheet.
  • Each sector 11 is, in this example, engaged in two end insulators 30 each placed at a longitudinal end 17 thereof.
  • Each end insulator 30 is made by molding plastic material, in one piece.
  • each end insulator 30 comprises a housing 40.
  • Each housing 40 can make it possible to partially receive a magnetic sensor 20.
  • three housings 40 receive a magnetic sensor 20, the others do not receive a magnetic sensor 20.
  • said housing is offset by a non-zero angle P relative to the median radial plane P of the associated tooth 13, the angle P being, in this example, equal to the angle y, i.e. 2.5°.
  • the housing 40 is located on a foot 41 of the end insulator 30, so that the magnetic sensor 20 is relatively close to the rotor 2.
  • the housing 40 forms an open cavity comprising a first part 42 and a second part 43, deeper and wider than the first part 42.
  • the first part 42 is intended to receive part of the electrical components of a magnetic sensor 20 and the second part 43 is intended to receive the active part of the magnetic sensor 20.
  • At least part of the end insulators 30, sectors 11, coils 16 and magnetic sensors 20 are embedded in a matrix made of an insulating material, for example a polymer material, in particular polyepoxide.
  • a set of cables may come out of the matrix. They make it possible to supply the stator 10 with electricity and to recover the data from the magnetic sensors 20.
  • machine 1 is supplied with a three-phase electric current.
  • Machine 1 includes a control unit, not shown in the drawings, of electric machine 1, the control unit controlling electric machine 1 at least using data from magnetic sensors 20.
  • the electric machine 1 can be used for a robot 100, as illustrated in FIG. 8.
  • the robot 100 comprises three machines 1, in particular servomotors.
  • the rotor 2 may be different, in particular have an angle a of angular offset of the magnetic poles 3 of between 0.1° and 20°, or the offset of the magnetic poles 3 may increase irregularly along the longitudinal axis Z .
  • the rotor can comprise four to twenty-four poles, or more.
  • the winding could be distributed, one coil surrounding several teeth 13.
  • the stator can have between 3 and 100 teeth.
  • the stator can comprise between 1 and 10 magnetic sensors.
  • the length of the stator may be longer, in particular equal to 36 mm, the length of the rotor being in this case between 36 and 40 mm.
  • Each end insulator 30 may comprise a skirt arranged to cover the corresponding end portion, this skirt preferably having a thickness substantially corresponding to the width of the associated shoulder.
  • the machine 1 may comprise insulating sheets each completely surrounding a part of a coil 16 which extends axially along the corresponding tooth 13, the insulating sheets being able to be pinched between the end insulators 30 and the end portions corresponding sectors 11.

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Abstract

Machine électrique tournante à capteur magnétique Machine (1) électrique tournante comportant : - un rotor (2) comportant au moins un aimant (7) permanent formant une pluralité de pôles magnétiques (3), au moins une portion non nulle de la frontière (F) entre deux pôles magnétiques (3) adjacents étant décalée angulairement de la position angulaire moyenne de neutralité magnétique entre lesdits deux pôles magnétiques (3) adjacents, - un stator (10) comportant des dents (13) et au moins un capteur magnétique (20) de la position angulaire du rotor (2), notamment une sonde à effet Hall, le capteur magnétique (20) étant associé à un dent (13), le capteur magnétique (20) étant décalé d'un angle γ non nul par rapport à un plan radial médian (P) de la dent (13) associée.

Description

Description
Titre : Machine électrique tournante à capteur magnétique
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes, et notamment les machines comportant un rotor dit ‘vrillé’, avec un décalage angulaire de l’aimantation le long de l’axe de rotation.
Technique antérieure
Avec des rotors à aimantation vrillée et lorsque le contrôle de la machine électrique est réalisé à l’aide de capteurs magnétiques de position, notamment des sondes à effet Hall, les signaux des capteurs magnétiques peuvent être déphasés avec la force électromotrice (FEM) du moteur.
Ce déphasage peut créer un comportement dissymétrique en fonction du sens de rotation du moteur si aucune précaution n’est prise avec l’électronique de commande, et n’est pas toujours réalisable, notamment avec des variateurs basiques.
Afin d’améliorer le comportement de la machine électrique, il a été proposé dans le brevet US 5 773 908 de réaliser des encoches sur une surface des dents du stator faisant face au rotor.
La demande de brevet US 2016/0276907 décrit une machine électrique comportant un système configuré pour disposer les capteurs magnétiques dans différentes positions sur le stator. Dans US 2016/0276907, les capteurs magnétiques captent les variations magnétiques d’un disque sur l’arbre du rotor, et non les variations magnétiques du rotor.
Le brevet US 5 034 642 décrit une machine électrique comportant un rotor vrillé ou de forme complexe. Le rotor est divisé en une partie principale et une partie de détection. Chaque frontière entre deux pôles magnétiques dans la partie de détection est dans le prolongement d’une ligne de neutralité magnétique de la partie principale du rotor. Le stator comporte des capteurs Hall positionnés au-dessus de la partie de détection du rotor.
Il existe un besoin pour disposer d’une machine électrique tournante comportant un rotor vrillé dont le fonctionnement est simplifié et plus sûr, et les performances électromagnétiques améliorées. Résumé de l’invention
L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, une machine électrique tournante comportant :
- un rotor comportant au moins un aimant permanent formant une pluralité de pôles magnétiques, au moins une portion non nulle de la frontière entre deux pôles magnétiques adjacents étant décalée angulairement de la position angulaire moyenne de neutralité magnétique entre lesdits deux pôles magnétiques adjacents,
- un stator comportant des dents et au moins un capteur magnétique de la position angulaire du rotor, notamment une sonde à effet Hall, le capteur magnétique étant associé à une dent, le capteur magnétique étant décalé d’un angle y non nul par rapport à un plan radial médian de la dent associée.
Du fait du décalage angulaire des pôles magnétiques du rotor en au moins une portion par rapport à la position angulaire moyenne de neutralité magnétique, on peut parler de « rotor vrillé ».
Par « plan radial médian » d’une dent, on entend un plan radial passant par un axe longitudinal du stator et par le centre de ladite dent.
Par « position angulaire moyenne de neutralité magnétique entre deux pôles adjacents », on entend la moyenne sur toute la longueur du rotor de la position angulaire de la frontière entre deux pôles adjacents. On notera ô l’angle non nul entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et une position angulaire de référence, la position angulaire de référence étant celle de la frontière entre les deux pôles adjacents à l’une des extrémités longitudinales du rotor.
Le décalage angulaire entre chaque capteur magnétique et le plan radial médian de la dent associée permet de compenser le vrillage des pôles magnétiques du rotor pour avoir un meilleur alignement entre les signaux du ou des capteurs magnétiques et la force électromotrice (FEM) du moteur.
Ainsi, les performances de la machine électrique sont améliorées. En particulier, même en utilisant une électronique de contrôle de la machine simple, les performances de la machine ne sont pas dégradées. De plus, cela peut permettre de symétriser son fonctionnement en sens horaire ou anti-horaire. De plus, ce décalage permet de réduire les ondulations de couple et le couple parasite de crantage magnétique (en anglais « cogging torque »).
Par ailleurs, l’utilisation d’un ou de plusieurs capteurs magnétiques de la position angulaire du rotor, notamment une sonde à effet Hall, permet de limiter le coût de fabrication ainsi que l’encombrement de la machine, car le ou les capteurs magnétiques peuvent être positionnés dans le bobinage du stator.
En particulier, il n’est pas nécessaire d’avoir une partie du rotor qui est dédiée au capteur magnétique comme dans US 5 034 642.
Exposé de l’invention
La machine peut être alimentée par un courant électrique polyphasé à n phases, notamment triphasé. Dans ce cas, le stator peut comporter n capteurs magnétiques. Dans un exemple de réalisation, la machine est triphasée et comporte trois capteurs magnétiques.
La machine peut comporter une unité de contrôle de la machine électrique, l’unité de contrôle contrôlant la machine électrique au moins à l’aide de données issues du ou des capteurs magnétiques.
La machine électrique tournante peut être un moteur ou un générateur. Elle peut notamment être un servomoteur.
Codeur
Dans un mode de réalisation, la machine électrique tournante selon l’invention peut comporter le ou les capteurs magnétiques précités, et être dépourvue de codeur(s) pour déterminer la position angulaire du rotor. Le ou les capteurs peuvent permettre de connaître la position angulaire électrique du rotor même lorsque la machine n’est pas encore alimentée. Us peuvent servir dès la première utilisation.
Par exemple, lors de la première mise sous tension de la machine, la position angulaire électrique du rotor est précise à ± 30° avec trois capteurs magnétiques.
En outre, les capteurs magnétiques sont avantageusement moins coûteux que les codeurs.
Ils peuvent enfin avoir une meilleure compacité, étant intégrés à proximité des bobines, comme décrit ci-dessous.
En variante, la machine peut comporter en outre au moins un codeur de la position angulaire du rotor, par exemple un codeur incrémental ou un codeur absolu. Le ou les codeurs n’utilisent pas la magnétisation du rotor pour fournir une information quant à la position angulaire du rotor. L’utilisation d’un ou de codeurs en plus du ou des capteurs magnétiques permet d’avoir une redondance dans l’information de position angulaire du rotor, pour une plus grande précision dans le fonctionnement de la machine électrique.
Capteur magnétique
Chaque capteur magnétique peut être associé à une dent.
Chaque capteur magnétique peut avoir un fonctionnement binaire, c’est-à-dire qu’il peut transmettre un état haut et un état bas.
L’angle y non nul de décalage du capteur magnétique par rapport au plan radial médian de la dent associée peut être inférieur à 20°, notamment inférieur à 10°, notamment inférieur à 5°. L’angle y peut par exemple être de 2,5°. L’angle y peut notamment être supérieur à 0,1°, mieux supérieur à 0,5°, voire supérieur à 1°.
L’angle y non nul de décalage du capteur magnétique par rapport au plan radial médian de la dent associée peut notamment être égal à l’angle ô de la différence entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et la position angulaire de référence. Un tel décalage peut permettre de symétriser le fonctionnement en sens horaire et antihoraire sans avoir à recourir à un variateur plus complexe qui autoriserait un fonctionnement dissymétrique.
Une telle configuration permet de positionner les capteurs magnétiques circonférentiellement au niveau de la position angulaire moyenne de neutralité magnétique, en dépit de l’angle ô non nul de la différence entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et la position angulaire de référence.
Le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être orienté dans le même sens ou le sens inverse que l’angle ô de décalage entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et la position angulaire de référence.
En particulier, le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être orienté vers la gauche ou la droite lorsque la dent est observée depuis l’axe de rotation de la machine, dans le cas où l’angle ô de décalage entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et la position angulaire de référence est également vers la gauche.
En variante, le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être orienté vers la droite ou la gauche lorsque la dent est observée depuis l’axe de rotation de la machine, dans le cas où l’angle ô de décalage entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et la position angulaire de référence est également vers la droite.
Le stator peut comporter entre 1 et 10 capteurs magnétiques.
Le stator peut comporter plusieurs capteurs magnétiques, les capteurs magnétiques étant placés chacun sur des dents consécutives. Ainsi, les capteurs magnétiques peuvent être situés tous d’un même côté de la machine par rapport à un plan contenant un axe de rotation de la machine.
En variante, les capteurs magnétiques peuvent être angulairement répartis de manière uniforme. Le nombre de dents entre deux capteurs consécutifs peut être constant. Le nombre de dents peut être un multiple de trois, notamment dans le cas d’une machine triphasée.
Le ou les capteurs magnétiques peuvent être noyés dans une matrice en un matériau isolant, par exemple un matériau polymère, notamment en polyépoxyde.
Le ou les capteurs magnétiques peuvent être supportés par une pièce de support. Ladite pièce de support peut également comporter des composants électroniques tels que des capacités, des résistances ou autre, ainsi que des conducteurs électriques. Lesdits conducteurs électriques permettent de fournir l’information des capteurs magnétiques vers une unité de contrôle.
Stator
Dans un mode de réalisation, le stator comporte plusieurs capteurs magnétiques. Chaque capteur magnétique peut être associé à une dent, chaque capteur magnétique étant décalé d’un angle y non nul par rapport à un plan radial médian de la dent associée.
Chaque dent peut comporter, de manière conventionnelle, un paquet de tôles magnétiques superposées, qui peuvent être revêtues chacune d’un vernis isolant.
Le stator peut comporter une pluralité de bobines associées aux dents.
Chaque bobine peut être associée à une dent. On dit que le stator est bobiné sur dent.
En variante, le bobinage pourrait être réparti, une bobine entourant plusieurs dents, consécutives ou non.
Le stator peut comporter entre 3 et 100 dents. Dans un exemple de réalisation, le stator comporte 9 dents.
Lorsque le bobinage est réparti, le stator peut comporter entre 3 et 96 dents. Lorsque le stator est bobiné sur dent, le stator peut comporter entre 3 et 27 dents.
Les dents du stator forment un circuit magnétique de celui-ci. Le stator de la machine électrique comporte, d’une manière générale, outre le circuit magnétique, un circuit électrique et un système d’isolation.
Le stator peut comporter des secteurs, chaque secteur comportant une dent. Chaque secteur peut comporter une partie de culasse et une dent orientée vers le rotor.
Les bobines peuvent être bobinées sur les dents avant l’assemblage des secteurs.
Chaque dent peut être orientée vers le rotor.
Chaque dent peut être orientée perpendiculairement à un axe longitudinal du stator. Chaque dent peut être orientée selon un axe radial passant par le centre du rotor. En particulier, chaque dent peut être orientée depuis la culasse vers l’entrefer.
Deux secteurs consécutifs peuvent comporter, sur leurs faces en contact, des reliefs ayant des formes complémentaires permettant un emboîtement.
Le stator peut être reçu dans un carter. La machine électrique peut comporter un carter recevant le stator et le rotor.
Rotor
Le rotor peut comporter une masse rotorique pour recevoir le ou les aimants permanents. La masse rotorique peut être placée sur un arbre de la machine. L’arbre peut être magnétique ou amagnétique.
Chaque pôle magnétique peut comporter deux extrémités longitudinales décalées angulairement l’une par rapport à l’autre d’un angle a non nul.
Par exemple, le rotor peut être vrillé en hélice. Dans ce cas, l’angle a correspond à l’angle de vrillage de l’hélice. Dans ce cas, l’angle ô entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique et la position angulaire de référence est égal à a/2.
L’angle a de décalage des deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor peut être inférieur à 20°, notamment inférieur à 15°, notamment inférieur à 10°. L’angle a de décalage peut, par exemple, être de 5°. L’angle a de décalage peut notamment être supérieur à 0,1°, mieux supérieur à 0,5°, voire supérieur à 1°.
Un rapport a/y entre l’angle a de décalage des deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor et l’angle y de décalage du capteur magnétique par rapport au plan radial médian de la dent associée peut être compris entre 1 et 4, mieux entre 1,5 et 3, voire entre 1,7 et 2,5. Le rapport a/y peut par exemple être de 2. L’angle y non nul de décalage du capteur magnétique par rapport au plan radial médian de la dent associée peut notamment être égal au demi-angle a/2 du décalage angulaire a des deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor, notamment lorsque que le rotor est vrillé en hélice. Un tel décalage peut permettre de symétriser le fonctionnement en sens horaire et anti-horaire sans avoir à recourir à un variateur plus complexe qui autoriserait un fonctionnement dissymétrique
Une telle configuration permet de positionner les capteurs magnétiques circonférentiellement au milieu des pôles magnétiques du rotor, en dépit du décalage angulaire au rotor entre les deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor.
Le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être orienté dans le même sens ou le sens inverse que le décalage a des deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor.
Le sens de l’orientation du décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être déterminée en fonction de la convention d’alignement souhaitée entre les signaux du ou des capteurs magnétiques et la force électromotrice (FEM) du moteur.
En particulier, le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être orienté vers la gauche ou la droite lorsque la dent est observée depuis l’axe de rotation de la machine, dans le cas où le décalage a des deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor est également vers la gauche.
En variante, le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique peut être orienté vers la droite ou la gauche lorsque la dent est observée depuis l’axe de rotation de la machine, dans le cas où le décalage a des deux extrémités longitudinales de chaque pôle magnétique du rotor est également vers la droite.
Le rotor peut comporter un anneau magnétisé en secteurs afin de former les pôles magnétiques.
Les pôles magnétiques peuvent être magnétisés radialement ou axialement, de préférence radialement.
En variante, le rotor pourrait comporter une pluralité d’aimants permanents reçus sur ou dans une masse rotorique. Les aimants permanents peuvent être disposés en surface de la masse rotorique, ou dans celle-ci, étant enterrés par exemple. Ils peuvent être disposés circonférentiellement, ou en une ou plusieurs rangées, en U, en V ou en W, ou disposés avec une concentration de flux.
Le rotor peut comporter un arbre recevant l’anneau magnétisé ou, le cas échéant, la pluralité d’aimants.
Le rotor peut être formé d’un ou plusieurs étages d’aimants permanents, par exemple assemblés en zig-zag.
Par « assemblés en zig-zag », on entend que le rotor est formé d’une pluralité de rotor non vrillés, c’est-à-dire sans décalage angulaire des pôles, assemblés entre eux.
Le rotor peut comporter quatre pôles à vingt-quatre pôles, ou plus. Dans un mode de réalisation, le rotor comporte huit pôles.
La longueur du rotor peut être supérieure à celle des dents du stator. La longueur du rotor est mesurée selon un axe de rotation de la machine, entre les deux extrémités longitudinales du rotor.
La longueur des dents du stator est mesurée selon un axe de rotation de la machine, entre les deux extrémités longitudinales des dents du stator.
Le rotor peut par exemple dépasser d’une longueur comprise entre 0 mm et 5 mm des dents du stator, notamment de 2 mm environ.
Le rotor peut dépasser d’un seul côté des dents du stator, ou en variante des deux côtés, de manière symétrique ou non. Avoir le rotor qui dépasse des deux côtés des dents de manière symétrique permet d’améliorer la résistance mécanique de la machine et limite l’effort axial exercé sur les roulements de la machine.
Une telle configuration permet d’assurer que le ou les capteurs recouvrent bien le rotor, ce qui permet une meilleure détection des variations de champ magnétique par les capteurs magnétiques.
La position axiale du rotor peut être centrale par rapport au stator pour ne pas di- symétriser les efforts mécaniques sur le rotor.
En variante, la longueur du rotor est au moins égale à celle des dents du stator.
Isolant d’extrémité
Lorsque le stator comporte des secteurs, chaque secteur peut comporter deux extrémités longitudinales sur lesquelles sont placés des isolants d’extrémité.
Chaque isolant d’extrémité peut comporter un espace dans lequel s’engage une extrémité longitudinale du secteur associé. Lorsque le ou les capteurs magnétiques sont noyés dans une matrice en un matériau isolant, par exemple un matériau polymère, notamment en polyépoxyde, une partie au moins des isolants d’extrémité, des secteurs et, le cas échéant, des bobines du stator peuvent être au moins partiellement noyés dans ladite matrice en matériau isolant.
La partie du secteur du stator qui est engagée dans l’isolant d’extrémité peut constituer une partie active de la machine sans pour autant empiéter sur la dimension utile de l’isolant d’extrémité dans l’air à sa périphérie.
Les isolants d’extrémité peuvent avantageusement être réalisés de manière à participer au maintien de bobines sur les secteurs, et donc dents, et chaque isolant d’extrémité peut notamment comporter une gorge formée entre des extensions radialement intérieure et extérieure, gorge dans laquelle s’engage la bobine associée au secteur et à la dent correspondants.
Chaque isolant d’extrémité peut être agencé pour s’engager avec ou sans friction sur l’extrémité longitudinale du secteur correspondant. Un engagement avec friction peut permettre d’éviter une opération de collage de l’isolant d’extrémité sur le secteur.
Chaque secteur peut comporter, à une extrémité longitudinale au moins, une portion d’extrémité plus étroite, qui peut être recouverte au moins partiellement par un isolant d’extrémité correspondant. Cette portion d’extrémité plus étroite peut être délimitée axialement par deux épaulements situés sur des côtés opposés du secteur.
Les portions d’extrémité plus étroites qui s’engagent dans les isolants d’extrémité peuvent être formées par des tôles ayant des dimensions réduites par rapport aux tôles situées entre les portions d’extrémité. Chaque secteur peut ainsi comporter un empilage d’un premier type de tôles, et de part et d’autre de cet empilage, deux empilages d’un second type de tôles, destinés à former les portions d’extrémité précitées.
Les tôles formant les secteurs peuvent comporter, sur leurs faces en regard, des reliefs pouvant coopérer de manière à maintenir les tôles assemblées. Chaque tôle peut ainsi comporter sur une face une forme mâle et sur la face opposée une forme femelle, les formes mâle et femelle ayant été formées par exemple simultanément par emboutissage de la tôle.
Dans une réalisation particulière, chaque isolant d’extrémité comporte une jupe agencée pour recouvrir la portion d’extrémité du secteur, notamment une jupe ayant une épaisseur correspondant sensiblement à la largeur de l’épaulement correspondant. La jupe précitée peut ainsi présenter une surface extérieure s’étendant sensiblement dans l’alignement des faces latérales du secteur associé, lorsque l’isolant d’extrémité est fixé sur ce secteur. Cela peut permettre à chaque encoche du stator formée entre les dents de deux secteurs successifs de présenter une section transversale sensiblement constante le long de l’axe de la machine, y compris entre les isolants d’extrémité. De ce fait, le coefficient de remplissage de l’encoche peut être optimum.
Chaque secteur peut être engagé dans deux isolants d’extrémité placés chacun à une extrémité longitudinale de celui-ci.
La machine peut comporter des feuilles isolantes entourant totalement ou partiellement chacune une partie d’une bobine qui s’étend axialement le long de la dent correspondante.
Les feuilles isolantes peuvent être pincées entre les isolants d’extrémité et les portions d’extrémité des secteurs correspondants, un tel pincement pouvant être suffisant pour les maintenir en place sur les secteurs jusqu’à l’opération de bobinage des dents le cas échéant. Les feuilles isolantes peuvent aussi être collées sur les isolants d’extrémité et recouvrir ceux-ci.
L’isolant d’extrémité peut ne pas s’étendre radialement jusqu’à la surface radialement la plus extérieure du secteur correspondant.
Chaque isolant d’extrémité est avantageusement réalisé par moulage de matière plastique, d’un seul tenant de préférence.
Logement pour capteur dans les isolants d’extrémité
Au moins un isolant d’extrémité peut comporter un logement recevant au moins partiellement un capteur magnétique.
La machine peut comporter au moins un isolant d’extrémité ne recevant pas de capteur magnétique.
Ledit logement peut être décalé d’un angle P non nul par rapport à un plan radial médian de la dent associée. L’angle P peut notamment être égal à l’angle y.
La fabrication des isolants d’extrémité peut être facilement adaptée afin de modifier le positionnement du logement, et donc la position des capteurs magnétiques par rapport à leur dent associée. Ainsi, il est possible de modifier une machine électrique tournante, par exemple modifier son rotor, en changeant sur le stator uniquement les isolants d’extrémité, ce qui est un gain de coût important. Robot
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un robot comportant au moins une machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications précédentes.
L’utilisation d’au moins une machine électrique tournante conforme à l’invention pour un robot permet de bénéficier des avantages des rotors vrillés en termes de réduction des vibrations, tout en réduisant le couple parasite de crantage magnétique (en anglais « cogging torque »). Ainsi, on améliore la précision du robot chirurgical.
Vélo électrique
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un vélo électrique comportant au moins une machine électrique tournante telle que définie plus haut.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig 1] le figure 1 illustre, partiellement et en perspective, un exemple de machine électrique tournante selon l’invention,
[Fig 2] la figure 2 est une coupe, schématique et partielle, de la machine électrique de la figure 1,
[Fig 3] la figure 3 illustre, en perspective, de manière schématique et partielle, isolément, la masse rotorique du rotor de la machine de la figure 1,
[Fig 4] la figure 4 illustre en vue de dessus, de manière schématique et partielle, isolément, la masse rotorique du rotor de la machine de la figure 1,
[Fig 5] la figure 5 illustre, en coupe longitudinale, de manière partielle, le stator de la figure 1,
[Fig 6] la figure 6 illustre, en vue de dessus, une partie du stator de la figure 1,
[Fig 7] la figure 7 illustre, en perspective et isolément, un isolant d’extrémité du stator de la figure 1, et
[Fig 8] la figure 8 illustre, de manière schématique, un robot selon l’invention. Description détaillée
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas toujours été respectées, dans un souci de clarté.
On a illustré sur les figures 1 et 2 une machine 1 électrique tournante selon l’invention, dans cet exemple un servomoteur.
La machine 1 comporte un rotor 2 s’étendant selon un axe Z longitudinal, visible isolément sur les figures 3 et 4. Le rotor 2 comporte un aimant permanent 7 sous la forme d’un anneau magnétisé en secteurs formant une pluralité de pôles magnétiques 3, dans cet exemple huit.
L’anneau magnétisé est placé sur un arbre de la machine 1, non représenté sur la figure 1.
Par exemple, le rotor 2 est composé d’une alternance de pôles magnétiques 3 nord et sud.
Chaque pôle magnétique 3 comporte deux extrémités longitudinales 4 décalées angulairement l’une par rapport à l’autre d’un angle a non nul. L’angle a est mesuré, comme visible sur la figure 4, dans un plan transversal avec comme origine l’axe Z longitudinal du rotor. Sur la figure 4, l’angle a est mesuré à la frontière entre deux pôles magnétiques 3. Dans cet exemple, l’angle a est égal à 5°.
Par exemple, le décalage angulaire est identique pour l’ensemble des pôles magnétiques 3. Toujours dans cet exemple, le décalage des pôles magnétiques 3 augmente de manière régulière selon l’axe longitudinal Z, comme illustré sur la figure 3.
L’angle ô entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique PM entre deux pôles 3 adjacents et la position angulaire de référence PO qui est prise à la frontière F entre les deux pôles 3 adjacents à l’une des extrémités longitudinales 4 du rotor 2 est illustré sur la figure 4. Dans cet exemple, l’angle ô entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique PM et la position angulaire de référence PO est égal à a/2. Comme visible sur la figure 4, chaque pôle magnétique 3 comporte une portion non nulle de la frontière F entre deux pôles 3 adjacents qui est décalée angulairement de la position angulaire moyenne de neutralité magnétique PM entre deux pôles 3 adjacents.
Dans cet exemple, les pôles magnétiques 3 sont magnétisés radialement.
La machine 1 comporte également un stator 10, visible sur les figures 1 et 2. Le stator 10 est, dans cet exemple, reçu dans un carter 15.
Le stator 10 comporte plusieurs secteurs 11, dans cet exemple neuf secteurs 11, formant un circuit magnétique du stator 10. Deux secteurs 11 consécutifs comportent, sur leurs faces en contact, des reliefs 14 ayant des formes complémentaires permettant un emboîtement.
Chaque secteur 11 comporte, de manière conventionnelle, un paquet de tôles magnétiques superposées, qui peuvent être revêtues chacune d’un vernis isolant. Comme visible sur la figure 2, chaque secteur 11 comporte une partie de culasse 12 et une dent 13 orientée vers le rotor 2.
Le stator 10 de machine 1 électrique comporte, d’une manière générale, outre le circuit magnétique, un circuit électrique et un système d’isolation.
Le stator 10 comporte également une pluralité de bobines 16 associées aux dents 13 des secteurs 11, ces bobines 16 étant, dans cet exemple, bobinées sur les dents 13 avant l’assemblage des secteurs 11. Les bobines 16 ne sont pas toujours représentées sur les autres figures, dans un souci de clarté.
Le stator 10 comporte également trois capteurs magnétiques 20, dans cet exemple des sondes à effet Hall. Chaque capteur magnétique 20 est associé à une dent 13. Par exemple, le capteur 20a est associé avec la dent 13a.
Les capteurs magnétiques 20 sont placés d’un même côté de la machine 1 par rapport à un plan contenant un axe de rotation de la machine 1.
Les capteurs magnétiques 20 sont, par exemple, positionnés du côté de la machine comportant l’extrémité longitudinale 4 du rotor 2 utilisée pour la position de référence PO.
Les capteurs magnétiques 20 sont ici angulairement répartis de manière uniforme. Le nombre de dents 13 entre deux capteurs 20 consécutifs est constant, par exemple deux dents 13 entre deux capteurs 20 consécutifs. Les capteurs magnétiques 20 sont, par exemple, supportés par une pièce 21 de support, visible partiellement sur la figure 2. Ladite pièce 21 peut également comporter des composants électroniques tels que des capacités, des résistances ou autre, ainsi que des conducteurs électriques. Lesdits conducteurs électriques permettent de fournir l’information des capteurs magnétiques vers une unité de contrôle.
Chaque capteur magnétique 20 a un fonctionnement binaire, c’est-à-dire qu’il peut transmettre un état haut et un état bas.
Comme illustré sur les figures 5 et 6, chaque capteur magnétique 20 est décalé d’un angle y non nul par rapport à un plan radial médian P de la dent 13 associée. Dans cet exemple, le décalage est identique pour chaque capteur magnétique 20.
Le plan P passe par un axe longitudinal Y du stator 10 et par le centre de la dent 13 associée. Dans cet exemple, comme les secteurs 11 et donc les dents 13 sont symétriques radialement, le plan P passe par le plan radial de symétrie de la dent 13 associée.
Dans cet exemple, le rapport a/y entre l’angle a de décalage des deux extrémités longitudinales 4 de chaque pôle magnétique 3 du rotor 2 et l’angle y de décalage du capteur magnétique 20 par rapport au plan radial médian P de la dent 13 associée est égale à 2, c’est- à-dire que l’angle y est égal à 2,5°.
Ainsi, dans cet exemple, l’angle y non nul de décalage du capteur magnétique 3 par rapport au plan radial médian P de la dent 13 associée est égal à l’angle ô la différence entre la position angulaire moyenne de neutralité magnétique PM et la position angulaire de référence PO.
Le décalage d’un angle y non nul du capteur magnétique 20 est ici orienté dans le même sens que le décalage a des deux extrémités longitudinales 4 de chaque pôle magnétique 3 du rotor 2.
Dans cet exemple, comme visible sur la figure 2, la longueur Lr du rotor 2 est supérieure à la longueur Ls des dents 13 du stator 10. La longueur Lr du rotor est égale à 14 mm et la longueur Ls du stator 10 est égale à 12 mm. La longueur Lr du rotor 2 est mesurée selon un axe de rotation de la machine 1, entre les deux extrémités longitudinales 4 du rotor 2. La longueur Ls des dents 13 du stator est mesurée selon l’axe de rotation de la machine 1, entre les deux extrémités longitudinales 17 des dents 13 du stator 10.
Le rotor dépasse de 2 mm d’un côté des dents 13 du stator 10. Comme illustré sur les figures 1, 2 et 5 à 6, des isolants d’extrémité 30 sont placés sur les secteurs 11 à leurs deux extrémités longitudinales 17.
Les isolants d’extrémité 30 sont réalisés de manière à participer au maintien des bobines 16 sur les dents 13, et chaque isolant d’extrémité 30 comporte une gorge 31 formée entre des extensions radialement intérieure et extérieure, gorge 31 dans laquelle s’engage la bobine 16 associée à la dent 13 correspondante.
Chaque isolant d’extrémité 30 est agencé pour s’engager avec friction sur l’extrémité longitudinale du secteur 11 correspondant.
Chaque secteur 11 comporte, à chaque extrémité longitudinale, une portion d’extrémité plus étroite, non visible sur les dessins, qui peut être recouverte au moins partiellement par un isolant d’extrémité 30 correspondant. Cette portion d’extrémité plus étroite peut être délimitée par des épaulements sur des côtés opposés du secteur 11.
Les portions d’extrémité plus étroites qui s’engagent dans les isolants d’extrémité 30 peuvent être formées par des tôles ayant des dimensions réduites par rapport aux tôles situées entre les portions d’extrémité. Chaque secteur 11 peut ainsi comporter un empilage d’un premier type de tôles, et de part et d’autre de cet empilage, deux empilages d’un second type de tôles, destinés à former les portions d’extrémité précitées.
Les tôles formant les secteurs 11 peuvent comporter, sur leurs faces en regard, des reliefs pouvant coopérer de manière à maintenir les tôles assemblées. Chaque tôle peut ainsi comporter sur une face une forme mâle et sur la face opposée une forme femelle, les formes mâle et femelle ayant été formées par exemple simultanément par emboutissage de la tôle.
Chaque secteur 11 est, dans cet exemple, engagé dans deux isolants d’extrémité 30 placés chacun à une extrémité longitudinale 17 de celui-ci.
Chaque isolant d’extrémité 30 est réalisé par moulage de matière plastique, d’un seul tenant.
Comme illustré sur les figures 1, 2 et 5 à 7, chaque isolant d’extrémité 30 comporte un logement 40. Chaque logement 40 peut permettre de recevoir partiellement un capteur magnétique 20. Dans cet exemple, trois logements 40 reçoivent un capteur magnétique 20, les autres ne recevant pas de capteur magnétique 20. Comme illustré sur les figures 6 et 7, ledit logement est décalé d’un angle P non nul par rapport au plan radial médian P de la dent 13 associée, l’angle P étant, dans cet exemple, égal à l’angle y, soit à 2,5°.
Comme illustré sur la figure 7, le logement 40 est situé sur un pied 41 de l’isolant d’extrémité 30, de manière à ce que le capteur magnétique 20 soit relativement proche du rotor 2.
Le logement 40 forme une cavité ouverte comportant une première partie 42 et une deuxième partie 43, plus profonde et plus large que la première partie 42. La première partie 42 est destinée à recevoir une partie des composants électriques d’un capteur magnétique 20 et la deuxième partie 43 est destinée à recevoir la partie active du capteur magnétique 20.
Une partie au moins des isolants d’extrémité 30, des secteurs 11, des bobines 16 et des capteurs magnétiques 20 sont noyés dans une matrice en un matériau isolant, par exemple un matériau polymère, notamment en polyépoxyde.
Un ensemble de câbles peut sortir de la matrice. Ils permettent d’alimenter le stator 10 en électricité et de récupérer les données des capteurs magnétiques 20.
Dans cet exemple, la machine 1 est alimentée en un courant électrique triphasé.
La machine 1 comporte une unité de contrôle, non illustrée sur les dessins, de la machine 1 électrique, l’unité de contrôle contrôlant la machine 1 électrique au moins à l’aide de données issues des capteurs magnétiques 20.
La machine 1 électrique peut être utilisée pour un robot 100, comme illustré sur la figure 8. Dans cet exemple, le robot 100 comporte trois machines 1, notamment des servomoteurs.
L’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.
En particulier, le rotor 2 peut être différent, notamment avoir un angle a de décalage angulaire des pôles magnétiques 3 compris entre 0,1° et 20°, ou le décalage des pôles magnétiques 3 peut augmenter de manière irrégulière selon l’axe longitudinal Z.
Le rotor peut comporter quatre à vingt-quatre pôles, ou plus.
Le bobinage pourrait être réparti, une bobine entourant plusieurs dents 13.
Le stator peut comporter entre 3 et 100 dents.
Le stator peut comporter entre 1 et 10 capteurs magnétiques. La longueur du stator peut être plus longue, notamment égale à 36 mm, la longueur du rotor étant dans ce cas comprise entre 36 et 40 mm.
Chaque isolant d’extrémité 30 peut comporter une jupe agencée pour recouvrir la portion d’extrémité correspondante, cette jupe ayant de préférence une épaisseur correspondant sensiblement à la largeur de l’épaulement associé.
La machine 1 peut comporter des feuilles isolantes entourant totalement chacune une partie d’une bobine 16 qui s’étend axialement le long de la dent 13 correspondante, les feuilles isolantes pouvant être pincées entre les isolants d’extrémité 30 et les portions d’extrémité des secteurs 11 correspondants.

Claims

Revendications
1. Machine (1) électrique tournante comportant :
- un rotor (2) comportant au moins un aimant (7) permanent formant une pluralité de pôles magnétiques (3), au moins une portion non nulle de la frontière (F) entre deux pôles magnétiques (3) adjacents étant décalée angulairement de la position angulaire moyenne de neutralité magnétique entre lesdits deux pôles magnétiques (3) adjacents,
- un stator (10) comportant des dents (13) et au moins un capteur magnétique (20) de la position angulaire du rotor (2), notamment une sonde à effet Hall, le capteur magnétique (20) étant associé à une dent (13), le capteur magnétique (20) étant décalé d’un angle y non nul par rapport à un plan radial médian (P) de la dent (13) associée.
2. Machine (1) selon la revendication précédente, l’angle y non nul de décalage du capteur magnétique (20) par rapport au plan radial médian (P) de la dent (13) associée étant inférieur à 20°, notamment inférieur à 10°, notamment inférieur à 5°.
3. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque pôle magnétique (3) comportant deux extrémités longitudinales (4) décalées angulairement l’une par rapport à l’autre d’un angle a non nul, l’angle a de décalage des deux extrémités longitudinales (4) de chaque pôle magnétique (3) du rotor (2) étant inférieur à 20°, notamment inférieur à 15°, notamment inférieur à 10°.
4. Machine (1) selon la revendication précédente, un rapport a/y entre l’angle a de décalage des deux extrémités longitudinales (4) de chaque pôle magnétique (3) du rotor (2) et l’angle y de décalage du capteur magnétique (20) par rapport au plan radial médian (P) de la dent (13) associée étant compris entre 1 et 4, mieux entre 1,5 et 3.
5. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le rotor (2) comportant un anneau magnétisé en secteurs afin de former les pôles magnétiques (3).
6. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la longueur (Lr) du rotor (2) est supérieure à celle des dents (13) du stator (10).
7. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, étant alimentée en un courant électrique polyphasé à n phases, notamment triphasé, le stator (10) comportant n capteurs magnétiques (20).
8. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le stator (10) comporte des secteurs (11), chaque secteur comportant une dent (13), les secteurs (11) ont chacun deux extrémités longitudinales (17) sur lesquelles sont placés des isolants d’extrémité (30).
9. Machine (1) selon la revendication précédente, dans laquelle au moins un isolant d’extrémité (30) comporte un logement (40) recevant au moins partiellement un capteur magnétique (20).
10. Machine (1) selon la revendication précédente, dans laquelle ledit logement (40) est décalé d’un angle P non nul par rapport à un plan radial médian (P) de la dent (13) associée, l’angle P étant notamment égal à l’angle y.
11. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, chaque isolant d’extrémité (30) comportant un espace dans lequel s’engage une extrémité longitudinale (17) du secteur (11) associé, chaque secteur (11) comportant notamment, à une extrémité longitudinale (17) au moins, une portion d’extrémité plus étroite recouverte au moins partiellement par un isolant d’extrémité (30) correspondant, la portion d’extrémité plus étroite étant notamment délimitée axialement par deux épaulements situés sur des côtés opposés du secteur (11), l’isolant d’extrémité (30) pouvant comporter une jupe agencée pour recouvrir la portion d’extrémité du secteur (11), notamment une jupe ayant une épaisseur correspondant sensiblement à la largeur de l’épaulement correspondant.
12. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le stator (10) comportant une pluralité de bobines (16) associées aux dents (13).
13. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le ou les capteurs magnétiques (20) sont noyés dans une matrice en un matériau isolant, par exemple un matériau polymère, notamment en polyépoxyde.
14. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une unité de contrôle de la machine (1) électrique, l’unité de contrôle contrôlant la machine (1) électrique au moins à l’aide de données issues du ou des capteurs magnétiques
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