WO1985000706A1 - Moteur polyphase a rotor aimante presentant n/2 paires de poles a sa peripherie - Google Patents

Moteur polyphase a rotor aimante presentant n/2 paires de poles a sa peripherie Download PDF

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WO1985000706A1
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Michel Grosjean
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Definitions

  • This invention relates to polyphase motors with a rotor rotor having N / 2 pairs of poles at its periphery.
  • the pairs of poles of the rotor can be defined by magnetization curves contained in a plane per ⁇ pendicular to the axis of rotation of the rotor, so that the latter has N poles alternately with opposite names on its outskirts.
  • the invention mainly aims to create a high-performance polyphase motor, using existing materials, which can be manufactured by industrial processes and the number of phases as well as the range of powers can be very wide, without modifying the design of the engine.
  • the field of application of the engine according to the present invention is therefore very wide.
  • This engine can be used, in particular, in drive systems for office automation, robotics, the aeronautical and space industry, photographic equipment, timepieces. More generally, the engine according to the present invention is suitable for all systems using the digital technique, and, more particularly, for all those where the criteria of space, efficiency, power and speed are determining.
  • the subject of the invention is a polyphase motor which is characterized by the structure defined by claim 1, certain special embodiments of which are defined by claims 2 and 3.
  • Fig. 1 is a view of this embodiment in the direction of the axis of rotation of the rotor
  • Fig. 2 is an exploded perspective view of the essential parts of this embodiment
  • Fig. 3 a plan view
  • Fig. 4 a perspective view of a part of the variant
  • the motor shown in Figs. 1 and 2 has a rotor 1 with a number N of poles equal to eight.
  • the number m of its phases is equal to two.
  • the offset between these two phases is equal to, or 22.5 °. N " m
  • the rotor 1 is made of ferromagnetic material such as samarium-cobalt, the coercive field of which is high and the density low. It has four pairs of poles at its periphery, which can be defined by magnetization curves contained in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor. The latter thus presents at its periphery eight poles alternately with opposite names, which are distributed regularly.
  • the rotor 1 is surrounded by a stator 2, the poles of which are concen ⁇ tric to the rotor.
  • This stator comprises a number m of phases r, s equal to two.
  • Each phase r, s is composed of two pole pieces 3, 4, im ⁇ bricated in one another. They are separated from each other by a sinuous air gap 5 in each phase.
  • the pole pieces 3, - 4 - are made of ferromagnetic material with a low coercive field and a high saturation induction. They have poles p ⁇ , p »• • •» q '
  • Fig. 1 shows that the poles p-,, p, of the pole piece 4 of phase r, the poles p ? , p. of the pole piece 3 of this same phase r, the poles p,, p mousseof the pole piece 4 of the phase s and the pole p- of the pole piece 3 of this phase s each have the same angular extension.
  • These different poles are said to be whole, while the poles P c and p ,, of the pole piece 3 of phase s are fractional. The sum of the angular extensions of these two fractional poles is at least approximately equal to the angular extension of an entire pole.
  • N polar of the m-th phase are integers; they are the number of - - per pole piece and are spaced by an angular interval at least apprxi ⁇ matically equal to twice that existing between the adjacent poles of the periphery of the rotor.
  • I N have a - - - 1 which are integers, while the m remaining poles are fractional, the sum of their angular extensions being at least approximately equal to the angular extension of an entire pole.
  • the phases r, s are offset relative to each other by an angle a of 22.5 °.
  • a r:.
  • the angular extension of each of the fractional poles is ⁇ N " m & ⁇ at least approximately equal to 1 / m times that of an entire pole.
  • the offset a can be made different from j ⁇ -.
  • the sum of the angular extensions of the fractional poles remains at least approximately equal to the angular extension of an entire pole, but these fractional poles no longer all have the same angular extension.
  • the rotor la com ⁇ takes a magnet lb which has an axial magnetization, parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • a soft ferromagnetic disc le, ld with salient poles le is fixed against each of the faces of the magnet lb. Thanks to this, arrangement and although the magnetization axis of the rotor is parallel to its axis of rotation, the rotor has eight poles at its periphery, which are distributed regularly and are alternately of opposite names.
  • the fluxes of the rotor la are indicated by arrows.
  • Figs. 5 and 6 illustrate the operation of the engine. These are equivalent diagrams of the engine.
  • the phase shift r, s is 22.5 °.
  • the magnetic links are symbolically represented by lines.
  • the poles of the rotor 1 are located exactly opposite the poles p,, p 2 , ps and p. of phase r.
  • This figure shows that the fluxes of the rotor directed towards the stator are collected by the poles p, and p, of the pole piece 4, from where they are conveyed to the core 7 of phase r, which they travel from A to B. They then close by passing through the poles p 2 and p 4 of the pole piece 3 of phase r of the stator.
  • the position of the rotor in which its flux through the core 7 of phase s is maximum is that of FIG. 6.
  • the two fractional poles p, - and p- each collect a flow equal to 1 / m times the flow collected by an entire pole, or 1/2 times that of an entire pole in the e ⁇ xample shown.
  • the fluxes of all the pairs of rotor poles are conveyed in the same direction through each core of the coils, this thanks to the described entanglement of the pole pieces 3, 4 and to the arrangement of the whole poles. and fractional. There is in fact no pair of rotor poles whose flux is lost, in the sense that it would not return to the nuclei and would not additively participate in the mutual flux.
  • the engine according to the invention also has the advantage of offering a very wide range of powers, without having to modify the design of the engine. Without going into the details of the theory, it is indeed intuitive to notice that the mechanical power of a motor of this type is an increasing function of the number of pairs of rotor poles.

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Abstract

La structure du moteur est la suivante: le rotor (1) présente N/2 paires de pôles à sa périphérie, qui sont alternativement de noms contraires; le stator (2) entoure concentriquement le rotor (1) et forme m phases (r, s), m = N/2 x n, pour n entier; chaque phase (r, s) est constituée d'une paire de pièces polaires (3, 4) enchevêtrées l'une (3) dans l'autre (4), les pièces polaires (3, 4) comprennent des pôles entiers (p1 à p4 et p6 à p8) et des pôles fractionnaires (p5, p9); les phases (r, s) sont décalées les unes par rapport aux autres; les pièces polaires (3, 4) de chaque phase (r, s) sont reliées magnétiquement entre elles par un noyau (7) bobiné.

Description

MOTEUR POLYPHASE A ROTOR AIMANTE PRESENTANT N /2 PAIRES DE POLES A SA PERIPHERIE
Cette invention se rapporte aux moteurs polyphasés à rotor ai¬ manté présentant N/2 paires de pôles à sa périphérie.
Il existe différents types de moteurs à rotor aimanté. Dans celui selon la présente invention, les paires de pôles du rotor peuvent être définies par des courbes de magnétisation contenues dans un plan per¬ pendiculaire à l'axe de rotation du rotor, de telle sorte que ce dernier présente N pôles alternativement de noms contraires à sa périphérie.
L'invention vise principalement à créer un moteur polyphasé de rendement élevé, en utilisant des matériaux existants , qui soit fabricable par des procédés industriels et dont le nombre des phases ainsi que la gamme des puissances puissent être très étendus , sans modification de la conception du moteur.
Le domaine d'application du moteur selon la présente invention est donc très vaste. Ce moteur peut être utilisé, en particulier, dans les systèmes d'entraînement pour la bureautique, la robotique , l'industrie aéronautique et spatiale, l'appareillage photographique , les garde-temps . Plus généralement, le moteur selon la présente invention convient à tous les systèmes utilisant la technique digitale, et , -plus particulièrement, à- tous ceux où les critères d'encombrement, de rendement, de puissance et de vitesse sont déterminants.
O PI L'invention a pour objet un moteur polyphasé qui est caractérisé par la structure définie par la revendication 1 , dont certaines formes spéciales d'exécution sont définies par les revendications 2 et 3.
Une forme d'exécution du moteur selon l'invention et deux varian¬ tes sont représentées schématiquement et à simple titre d'exemple au dessin , dans lequel:
la Fig . 1 est une vue de cette forme d'exécution dans la direction de l'axe de rotation du rotor;
la Fig . 2 est une vue en perpective éclatée des pièces essentielles de cette forme d'exécution;
la Fig . 3 une vue en plan et
la Fig . 4 une vue en perpective d'une pièce de la variante et
les Fig . 5 et 6 des schémas équivalents du moteur, qui illustrent son mode de fonctionnement.
Le moteur représenté aux Fig . 1 et 2 possède un rotor 1 présen¬ tant un nombre N de pôles égal à huit. Le nombre m de ses phases est égal à deux. En outre, le décalage entre ces deux phases est égal à , soit 22 ,5° . N«m
Le rotor 1 est en matériau ferromagnétique tel que le samarium- cobalt dont le champ coercitif est élevé et la masse volumique faible . Il présente quatre paires de pôles à sa périphérie , qui peuvent être défi- nies par des courbes de magnétisation contenues dans un plan perpendi¬ culaire à l'axe de rotation du rotor. Ce dernier présente ainsi à sa pé¬ riphérie huit pôles alternativement de noms contraires , qui sont répartis régulièrement .
Le rotor 1 est entouré d'un stator 2 , dont les pôles sont concen¬ triques au rotor. Ce stator comprend un nombre m de phases r, s égal à deux. Chaque phase r, s est composée de deux pièces polaires 3 , 4 , im¬ briquées l'une dans l'autre. Elles sont séparées l'une de l'autre par un entrefer sinueux 5 dans chaque phase. OM Les pièces polaires 3 , - 4 -sont en matériau ferromagnétique à faible champ coercitif et à induction de saturation élevée . Elles présentent des pôles p^ , p » • • • » q '
La Fig . 1 montre que les pôles p-, , p, de la pièce polaire 4 de la phase r , les pôles p? , p . de la pièce polaire 3 de cette même phase r , les pôles p, , p„ de la pièce polaire 4 de la phase s et le pôle p- de la pièce polaire 3 de cette phase s ont chacun la même extension angulaire . Ces différents pôles sont dits entiers , tandis que les pôles Pc et p,, de la pièce polaire 3 de la phase s sont fractionnaires . La somme des exten¬ sions angulaires de ces deux pôles fractionnaires est au moins approxi¬ mativement égale à l'extension angulaire d'un pôle entier.
Dans le cas général d'un moteur à m phases et dont le rotor a N pôles , les pôles des pièces polaires de m-1 phases et ceux d'une pièce
1 N polaire de la m-ième phase sont entiers ; ils sont au nombre de — — par pièce polaire et sont espacés d'un intervalle angulaire au moins approxi¬ mativement égal au double de celui existant entre les pôles adjacents de la périphérie du rotor . Quant aux pôles de la pièce polaire restante ,' il y
I N en a - — - 1 qui sont entiers , tandis que les m pôles restants sont fractionnaires , la somme de leurs extensions angulaires étant au moins approximativement égale à l'extension angulaire d'un pôle entier.
Dans la forme d'exécution représentée , les phases r , s sont déca- lées l'une par rapport à l'autre d'un angle a de 22 , 5° . Dans le cas gé¬ néral d'un moteur à m phases et dont le rotor a N pôles à sa périphérie , a = r: . L'extension angulaire de chacun des pôles fractionnaires est γ N «m & ^ au moins approximativement égale à 1 /m fois celle d'un pôle entier.
Le décalage a peut être rendu différent de j^ — . Dans ce cas , la somme des extensions angulaires des pôles fractionnaires reste au moins approximativement égale à l'extension angulaire d'un pôle entier, mais ces pôles fractionnaires n'ont plus tous la même extension angulaire .
Dans la variante représentée aux Fig . 3 et 4 , le rotor la com¬ prend un aimant lb qui présente une aimantation axiale , parallèle à l'axe de rotation du rotor. Pour obtenir le même comportement que dans le cas de la forme d'exécution décrite ci-dessus , un disque ferromagnétique doux le , ld , à pôles saillants le est fixé contre chacune des faces de l'aimant lb . Grâce à cette, disposition et bien que l'axe de magnétisation du rotor soit parallèle à son axe de rotation , le rotor la présente huit pôles à sa périphérie , qui sont répartis régulièrement et sont alternati¬ vement de noms contraires . Les flux du rotor la sont indiqués par des flèches .
Les Fig . 5 et 6 illustrent le fonctionnement du moteur. Ce sont des schémas équivalents du moteur. Le décalage des phases r, s est de 22 , 5° .
La Fig . 6 représente l'état du moteur lorsque le rotor s'est dépla¬ cé de 22 , 5° par rapport à celui représenté à la Fig. 5 , soit, dans le cas général, d'un angle α = ——^ — . Les liaisons magnétiques sont représen¬ tées symboliquement par des traits.
En vue de faciliter la compréhension du fonctionnement du moteur représenté , la manière de créer la caractéristique appelée couple mutuel est exposée en premier lieu. Ce couple mutuel est celui qui provient de l'interaction entre les flux du rotor aimanté et ceux des bobines.
Dans la position de la Fig . 5 , des pôles du rotor 1 se trouvent exactement en regard des pôles p, , p2 , p-s et p . de la phase r. Cette figure montre que les flux du rotor dirigés vers le stator sont recueillis par les pôles p, et p, de la pièce polaire 4 , d'où ils sont acheminés vers le noyau 7 de la phase r, qu'ils parcourent de A en B . Ils se referment ensuite en passant par les pôles p2 et p4 de la pièce polaire 3 de la phase r du stator.
En décalant le rotor à partir de cette position d'un angle α égal à 2τr /N , il est facile de voir que le flux à travers le noyau 7 de la phase r est aussi maximum, mais de sens opposé, c'est-à-dire qu'il parcourt ce noyau de B en A. Il y a donc inversion du flux du rotor dans le noyau 7 de la phase r, chaque fois que le rotor tourne d'un angle égal à 2 N , soit de 45° dans l'exemple représenté .
Lorsque la bobine de la phase r est alimentée, il en résulte , selon les lois de l'électromécanique, un couple d'interaction entre la bobine et et le rotor aimanté, le couple mutuel, dont la période est égale à 4π /N , et dont les positions d'équilibre correspondent aux positions du rotor dans lesquelles des pôles de ce dernier sont exactement en regard des pôles des pièces polaires de cette phase r.
En ce qui concerne les pôles p,- , , , p-, , pg et pn de la phase s , entre lesquels se trouvent des pôles du rotor dans la Fig . 5 , il est facile de voir que cette phase s présente également un couple mutuel de pério¬ de 4π/N , mais décalé par rapport au couple mutuel de la phase r d'un angle et = TΠ — » εo^ de 22 ,5° dans l'exemple représenté.
La position du rotor dans laquelle son flux à travers le noyau 7 de la phase s est maximum est celle de la Fig . 6. Les deux pôles frac¬ tionnaires p,- et p- recueillent chacun un flux égal à 1 /m fois le flux re¬ cueilli par un pôle entier, soit 1/2 fois celui d'un pôle entier dans l'e¬ xemple représenté.
Les remarques faites ci-dessus à propos d'un décalage entre les
2τr phases différent de v^ — s'appliquent ici aussi.
Le comportement du moteur avec les couples mutuels indiqués , lorsque les bobines sont alimentées , est connu et ne sera pas décrit.
Le moteur représenté, biphasé et avec un rotor à 8 pôles péri¬ phériques n'est évidemment pas la seule forme d'exécution possible du moteur selon l'invention. Il suffit que le nombre N de pôles du rotor et
N celui m des p rhases satisfassent la relation : m = •- 2 —»n où n est un nombre entier. Le tableau de la page suivante indique des configurations possi¬ bles du moteur selon l'invention.
Figure imgf000008_0001
A propos du rendement du moteur selon l'invention et sans entrer dans les détails de la théorie, l'homme du métier constatera qu'il est éle¬ vé .
Tout d'abord, les flux de toutes les paires de pôles du rotor sont acheminés dans le même sens à travers chaque noyau des bobines , cela grâce à l'enchevêtrement décrit des pièces polaires 3 , 4 et à la disposi¬ tion des pôles entiers et fractionnaires. Il n'existe en effet aucune paire de pôles du rotor dont le flux soit perdu, en ce sens qu'il ne se refer¬ merait pas par les noyaux et ne participerait pas de façon additive au flux mutuel.
-fxTîÊ De plus, dans le cas où le moteur es appelé à fonctionner pas.-à, pas , le fait que le rotor soit plein , en ce sens qu'il n'existe pas d'inter¬ valle angulaire entre les pôles du rotor qui ne soit égal à 2ττ/N , optimi¬ se , du point de vue du rendement , la relation entre le flux total des paires de pôles du rotor et l'inertie de ce dernier. Cela provient du fait que le rendement est une fonction croissante du flux et décroissante de l'inertie, mais que la puissance à laquelle cette fonction croît avec le' flux est plus grande que celle à laquelle elle décroît avec l'inertie.
Le nombre des phases du moteur selon l'invention peut être très étendu sans modifier la conception du moteur, puisqu'il suffit que la re- lation m = -* N ώ — * n soit satisfaite pour n entier. Autrement dit, il suffit d'augmenter le nombre N de pôles du rotor pour augmenter le nombre m de phases .
Le moteur selon l'invention a aussi l'avantage d'offrir une gamme de puissances très étendue, sans avoir à modifier la conception du mo¬ teur . Sans entrer dans les détails de la théorie , il est, en effet, intuitif de remarquer que la puissance mécanique d'un moteur de ce type est une fonction croissante du nombre de paires de pôles du rotor.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S :
1. Moteur polyphasé à rotor aimanté présentant N/2 paires de pôles à sa périphérie, caractérisé
- en ce que ces pôles résultent de courbes de magnétisation du rotor (1) , qui sont contenues dans un plan perpendiculaire à son axe de ro¬ tation,
- en ce que les dits pôles sont répartis régulièrement à la périphérie du rotor et sont alternativement de noms contraires,
- en ce que le rotor (1) est entouré d'un stator (2) dont les pôles sont concentriques au rotor,
- en ce que ce stator est formé de m phases (r, s) , où m = -—— > n étant un nombre entier,
- en ce que chaque phase (r, s) comprend deux pièces polaires (3 , 4) , enchevêtrées l'une (3) dans l'autre (4) et en est séparée par un en- trefe (5 ) sinueux,
- en ce que, pour m-1 phases (r, s) ainsi que pour l'une (4) des pièces polaires (3 , 4) de la phase restante, les pôles (p, à p . , p, , p„ ) de chacune des pièces polaires , au nombre de n = -——- , sont entiers et espacés par un intervalle angulaire au moins approximativement double de celui entre les pôles adjacents de la périphérie du rotor (1) ,
1 N
- en ce que — — - 1 pôles (p7) de l'autre pièce polaire (3) de la phase restante sont entiers,
- en ce que les m pôles restants (p.. , p„) de cette dernière pièce polaire (3) sont fractionnaires, la somme de leurs extensions angulaires étant au moins approximativement égale à l'extension angulaire d'un pôle en¬ tier,
- en ce que les phases (r, s) sont décalées les unes par rapport aux autres ,
- en ce que les pièces polaires (3 , 4) de chaque phase (r, s) sont re- liées magnétiquement entre elles par un noyau (7)
- et en ce qu'au moins une bobine (8) est enroulée autour de chaque no¬ yau (7) .
2. Moteur selon la revendication 1 , caractérisé
- en ce que les phases {r , s) sont décalées les unes par rapport aux autres d'un angle au moins approximativement égal- à 2τr/Nm "
- et en ce que l'extension angulaire de chaque pôle fractionnaire est au moins approximativement égale à 1 /m fois celle d'un pôle entier.
3. Moteur selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé
- en ce que le rotor (la) comprend un aimant (lb) à aimantation axiale, parallèle à l'axe de rotation du rotor,
- en ce qu'un disque ferromagnétique doux (le, ld) à pôles saillants (le) est fixé contre chacune des deux faces de l'aimant (lb)
- et en ce que les dits pôles saillants (le) de chacun des disques (le, ld) , au nombre de N/2 , sont répartis régulièrement à la périphérie du rotor (la) , les pôles saillants de l'un des disques étant décalés par rapport à ceux de l'autre disque d'un intervalle angulaire égal à la moitié de celui existant entre les pôles saillants adjacents d'un disque.
PCT/CH1984/000120 1983-07-28 1984-07-30 Moteur polyphase a rotor aimante presentant n/2 paires de poles a sa peripherie WO1985000706A1 (fr)

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