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Les petits moteurs synchrones auto-démarreurs servent à diverses ap- plications, par exemple à commander des appareils de mesure du temps, des appa- reils de tarification, des minuteries, des appareils enregistreurs, etc. Les con- ditions qu'ils doivent remplir sont de nature très diverse. Par exemple pour en rendre la fabrication peu coûteuse et simple, ils doivent se composer d'un nombre aussi réduit que possible d'éléments faciles à fabriquer, et doivent être peu en- combrants, car on ne dispose que de très peu de place pour les monter, en parti- culier dans les appareils du type précité.
De plus, le poids de leur rotor doit être relativement faible pour réduire autant que possible son moment d'inertie et le frottement dans les portées qui en résulte, et obtenir ainsi un couple utile suffisamment grand pour que les petits moteurs synchrones entrent en synchronisme aussi vite que possible. En outre, leur vitesse angulaire doit être choisie de façon à éviter d'avoir à prévoir des transmissions à grand rapport de démultipli- cation, qui font augmenter sensiblement le prix de revient de fabrication du pe- tit moteur synchrone, posent des problèmes additionnels de portée et de lubrifi- cation et prennent relativement beaucoup de place pour se monter dans les appa- reils.
Ils ne doivent pas non plus troubler le fonctionnement des appareils mon- tés auprès d'eux par les champs magnétiques qu'ils engendrent et leur fonction- nement ne doit pas être troublé par des champs magnétiques extérieurs. Une autre condition qui s'impose d'elle-même consiste dans une grande sécurité de marche, puisqu'ils doivent fonctionner parfaitement pendant longtemps sans entretien.
Les petits moteurs synchrones peuvent être classés en moteurs à champ tournant, tels que les moteurs asynchrones à hystérésis et synchronisés et en moteurs à champ alternatif stationnaire.
L'invention concerne un moteur synchrone auto-démarreur, en particu- lier un petit moteur synchrone, qui comporte un rotor à dents formant les pôles dirigés suivant l'axe et polarisé par un champ continu, un stator en deux porti- ons à dents formant les pôles dirigés suivant l'axe et une bobine excitatrice engengrant un champ stationnaire, ayant même axé que le rotor et le stator. Les moteurs synchrones de ce type sont connus. Le stator d'un moteur synchrone d'une forme de construction connue se compose de deux portions, dont les dents coudées en sens inverse et parallèles à 1'axe sont en prise et sont aimantées par une bobine excitatrice qui les entoure.
Le rotor se compose de deux disques qui com- portent des dents coudées dans le même sens et suivant l'axe engrènant entre elles et entre lesquels est monté un aimant permanent aimanté suivant l'axe et aimantant ainsi les dents du rotor alternativement et en sens inverse. Cette forme de construction à l'inconvénient d'obliger de prévoir un dispositif spéci- al qui, lorsque la bobine excitatrice est hors circuit, fait venir le rotor dans la position qui est nécessaire pour le faire démarrer spontanément. En effet, le rotor a tendance, dans ce cas, à venir dans une position dans laquelle la résis- tance magnétique s'opposant au flux continu est aussi faible que possible, comme dans le cas où les dents du rotor sont juste en face des dents du stator, c'est- à-dire dans une position du rotor dans laquelle il ne démarrait pas.
En outre, le flux alternatif de cette forme de construction ne participe que partiellement à la formation du couple, car les entrefers entre les dents de stator pénétrant l'une dans l'autre forment un trajet en parallèle pour ce flux alternatif, de sorte que seul le flux de dispersion entre ces dents du stator participe à la formation du couple. De plus, l'aimant permanent rotatif subit l'action démagné- tisante du champ alternatif et, par suite, on doit compter sur un notable affai- blissement :de cet aimant.
Le moteur synchrone d'une autre forme de construction connue comporte deux stators disposés l'un à côté de l'autre suivant l'axe et à dents coudées parallèlement à l'axe et disposées l'une en face de l'autre, ces stators étant entourés chacun par une bobine excitatrice, cylindrique, creuse. Une des deux bobines excitatrices est alimentée directement par le réseau et l'autre par l'in- termédiaire d'un élément de décalage de phase, de sorte que les flux alternatifs des deux stators sont décalés en phase de 90 l'un par rapport à l'autre. Les
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stators agissent chacun sur des rotors respectifs montés sur un arbre commun et consistant en deux disques à dents coudées parallèlement à l'axe et décalés l'un par rapport à l'autre d'un demi-intervalle de dent.
La largeur et le nombre des dents des rotors sont égaux à ceux des dents du stator. Un aimant permanent ai- manté dans le sens de l'axe est claveté entre les deux rotors, qui sont aimantés en sens inverses. On rend toutjours égale la résistance magnétique s'opposant au champ continu et au champ alternatif dans toutes les positions des deux rotors, ce qui est très important, en particulier en ce qui concerne l'affaiblissement de l'aimant permanent, en disposant les portions de stator de façon que leurs dents soient dans le prolongement l'une de l'autre, tandis que les deux portions de rotor sont décalées entre elles d'un quart de l'intervalle des dents.
Ce mo- teur synchrone à l'inconvénient d'être relativement coûteux puisque ses éléments doivent être prévus en double, et d'être relativement encombrant, de sorte qu'on ne peut envisager de le monter, en particulier dans les appareils énumérés ci- dessus, dont l'espace disponible est déjà occupé dans une large mesure. Un autre inconvénient consiste en ce qu'on ne dispose que partiellement du flux alterna- tif dans la formation du couple, étant donné qu'une partie des lignes de force du champ alternatif passe par l'aimant permanent magnétiquement bon conducteur, de sorte que le rendement de ce moteur synchrone est relativement faible, d'au- tant plus que l'aimant permanent subit un notable affaiblissement sous l'effet de cette fraction du flux alternatif.
D'ailleurs, les moteurs synchrones connus ont l'inconvénient de ne permettre d'adapter que dans une mesure limitée le moment d'inertie du système rotatif ormé par le rotor et l'aimant permanent correspondant au couple à en- gendrer. Cette adaptaton est importante car on a constaté par expérience que la relation entre le moment d'inertie précité et le couple joue un grand rôle dans le bon fonctionnement du moteur synchrone. Par exemple, si le système rotatif est relativement lourd, ou si les forces magnétiques qui agissent sur lui.sont faibles, il n'est pas possible de le faire démarrer automatiquemento Par contre, si le poids du rotor est relativement faible, le rotor subit un mouvement pen- dulaire se superposant à son mouvement de rotation chaque fois que les dents du rotor sont en face d'une dent du stator.
L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients précités en engendrant le champ continu de polarisation du rotor par deux aimants perma- nents au moins, dont l'un est fixé sur le rotor et l'autre est immobile et est disposé dans la cavité formée par la bobine excitatrice, et qui tous deux possè- dent une force coercitive considérable et une perméabilité réversible égale, au moins approximativement, à l'unité, et aimentant dans le même sens toutes les dents du rotor.
Il y a lieu de remarquer qu'un moteur synchrone auto-démarreur com- portant un aimant permanent stationnaire est connu. Mais ce moteur synchrone se distingue de celui de l'invention du fait qu'il consiste en deux moitiés sembla- bles, qui comportent chacune un rotor, un stator et une bobine excitatrice. Les bobines excitatrices sont connectées en opposition, de sorte que leurs champs alternatifs se compensent dans l'aimant permanent. C'est seulement par ce moyen qu'il est possible dans ce moteur synchrone de compenser l'affaiblissement nuisi- ble de l'aimant permanent provoqué par le champ alternatif.
Outre que les dimen- sions de ce moteur synchrone sont relativement grandes et ne permettent d'envi- sager de le monter que dans des appareils dans lesquels on dispose d'un emplace- ment relativement grand à cet effet, il a encore l'inconvénient d'affaiblir for- tement le magnétisme rémanent de l'aimant permanent lorsqu'on le démonte, de sorte que son couple diminue notablement et qu'il ne peut plus démarrer qu'avec retard dans le cas le plus favorable.
Sur le dessin ci-joint, qui représente à titre d'exemple deux formes de réalisation du moteur synchrone suivant l'invention: la figure 1 est une coupe de la première forme de réalisation d'un
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petit moteur synchrone, la figure 2 est une coupe suivant la ligne A-A de la fige 1, la figure 3 représente le trajet suivi par le flux continu provoqué par l'aimant permanent polarisant le rotor du petit moteur synchrone, la figure 4 représente le trajet suivi par. le flux alternatif engen- dré par une bobine excitatrice du petit moteur synchrone la figure 5 est une coupe d'une seconde forme de réalisation, et la figure 6 représente, à gauche, une élévation du moteur de la fige 5 dont le couvercle de la carcasse et la bobine excitatrice ont été enlevés et, à droite, une coupe suivant la ligne A-A de la fige 5.
Un rotor 1 consistant en un disque en fer doux, fige 1 comporte des dents 2,3, coudées parallèlement à l'axe et alternativement en sens inverse, et est monté sur un moyeu 4 en une matière magnétique. Un aimant permanent annulai- re 27 est collé sur le rotor 1 et consiste en une matière magnétique, oxydée, fortement coercitive, telle que par exemple l'oxyde connu sous le nom de la mar- que déposée "Ferroxdure" dont la force coercitive est égale à environ 1500 Oer- steds et dont la perméabilité réversible est d'environ 1. Le moyeu 4 est monté sur un arbre 5 supporté par des coussinets radiaux 6,7, et s'appliquant par son extrémité du côté droit contre un coussinet axial 8. L'arbre 5 est lubrifié au moyen de garnitures lubrifiantes en feutre 9 et 10, disposées entre les coussi- nets radiaux 6 ou entre le coussinet radial 7 et le coussinet axial 8.
Les cous- sinets radiaux 6 sont montés dans le trou 11 d'une douille 12, dont l'extrémité du côté gauche est rabattue et est fixée sur le couvercle 15 de la carcasse par la portion 13 du stator qui comporte des dents 14 en saillie suivant l'axe. Le coussinet radial 7 et le coussinet axial 8 sont disposés dans une douille 16 également fixée par un bord rabattu sur un second couvercle 17, semblable au couvercle 15 de la carcasse. Un second aimant permanent annulaire 18 est fixé sur la douille 16, à côté du rotor 1 suivant l'axe et est formé par la même ma- tière magnétique que l'aimant permanent 27. Les aimants permanents 18 et 27 sont aimantés suivant l'axe et le champ continu qu'ils engendrent aimanté dans le même sens toutes les dents 2,3 du rotor.
Une seconde portion 19 du stator, semblable à la portion 13, est disposée entre l'aimant permanent 18 et le couvercle 17 de la carcasse, de façon que ses dents 20 se trouvent dans le prolongement des dents 14 du stator. Le nombre des dents 14, 20 des deux portions 13, 19 du stator cor- respond à celui des dents du rotor 1.
Le flux continu engendré par les aimants permanents 18, 27 comporte deux circuits magnétiques, fig. 3, d'une part, un oir- cuit magnétique partant du pôle nord N de l'aimant permanent 27, passant par les dents 3 du rotor 1, les dents 20 du stator, la portion 19 du stator serrée entre l'aimant permanent 18 et le couvercle 17 de la carcasse et l'aimant permanent 18 et aboutissant au pôle sud S de l'aimant permanent 27 et d'autre part, un second circuit magnétique partant du pôle nord N de l'aimant permanent 27, passant par la dent 2 du rotor, les dents 14 du stator, les couvercles 15, 17 de la carcasse, la portion 19 du stator et l'aimant permanent 18 et aboutissant au pôle sud S de l'aimant permanent 27.Etant donné que le petit moteur synchro- ne peut tourner dans les deux sens, il comporte un dispositif de blocage de rap- pel, non représenté,
qui ne lui permet de tourner que dans le sens de la flèche de la fige 2.. Tous les éléments décrits ci-dessus, c'est-à-dire le rotor 1, les portions 13, 19 du stator et les aimants permanents 18 et 27, sont disposés dans une cavité 26 formée par une bobine excitatrice 25.
Le petit moteur synchrone décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante : Si la bobine excitatrice n'est pas sous tension, le rotor 1 est sous l'influence des aimants permanents 18, 27 et comme les dents 14, 20 du stator sont dans le prolongement l'une de l'autre, il se trouve dans la position de la fig. 2 dans laquelle les résistances magnétiques des deux circuits magnétiques décrits ci-dessus sont égales, Si la bobine excitatrice 25 est mise sous tension,
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elle engendre un ohamp alternatifdont la ligne de force est tracée en traits mixtes sur la fig. 4, et qui passe par les dents 2, 3 du rotor, les dents 20 du stator, les couvercles 15, 17 de la carcasse et les dents 14 du stator.
Etant donné que la perméabilité réversible des aimants permanents 18, 27 est sensible- ment égale à l'unité,ceux-ci ne forment pas ou pratiquement pas de trajets parallèles pour les lignes de force engendrées par la bobine excitatrice 25 et passant par les dents respectives 3 et 20 du rotor et du stator. Il en résulte que l'induction magnétique du champ alternatif des dents respectives 3 et 20 du rotor et du stator ne diminue pas par rapport à celle des dents respectives 2 et 14 du rotor et du stator, ce qui,ainsi que des essais l'ont démontré, compromet- trait ou même rendrait impossible le fonctionnement du moteur synchrone.
La pha- se du champ alternatif étant celle qui est indiquée par la direction des flèches de la fig. 3, le flux de force magnétique se renforce dans les dents respectives 3 et 20 du rotor et du stator et celui des dents respectives 2 et 14 du rotor ét du stator s'affaiblit. Le rotor 1 vient ainsi dans une position angulaire dans laquelle les dents 3 du rotor et les dents 20 du stator sont symétriquement l'une en face de l'autre. Il résulte donc que pour la phase supposée du champ alternatif, le rotor 1 commence à tourner dans le sens des aiguilles d'une mon- tre.
Il est dono inutile de prévoir un dispositif spécial qui retient le rotor 1 dans une position nécessaire au démarrage automatique lorsque la bobine excita- trice 25 est hors circuit. Si, au moment de la mise en circuit de la bobine ex- citatrice, la phase du champ alternatif était dirigée en sens inverse, le rotor 1 aurait démarré en sens invse des aiguillas d'une montre. Mais .Le dispositif de blocage de rappel entre en action dans ce cas en provoquant l'arrêt du tor 1 qui ne redémarre que lorsque la phase du champ alternatif s'inverse.
Quoique la forme de réalisation décrite ci-dessus ne comporte que deux aimants perma- nents 18, 27, il est possible, également de prévoir deux autres aimants perma- nents semblables aux aimants permanents respectifs 18 et 27 mais disposés symé- triquement par rapport à ces aimants permanents du coté gauche du rotor 1,de la même manière que les aimants permanents 18, 27. Les flux continua engendrés par les deux parties d'aimants permanents ainsi disposés se compensent dans les couvercles 15, 17 de la carcasse et les flux alternatif et continu ne passent plus également que dans les dents 14, 20 du stator, les dents 2, 3, du rotor et les entrefers entre les dents du stator et du rotor.
Le rotor de la forme de construction décrite peut aussi consister en une bande magnétiquement oonduc- trice enroulée sous forme de cercle et comportant sur la périphérie 1'un disque au moins monté sur l'arbre 5 des dents dirigées suivant l'axe et alternativement dans un sens ou dans l'autre et formées par exemple par estampage. Il est possi- ble également de disposer un des aimants permanents de façon à faire coïncider, au moins approximativement, son plan de symétrie, perpendiculaire à l'axe 5 du rotor, avec celui du rotor pourvu que les aimants soient polarisés radialement de façon que le magnétisme à la périphérie de chacun d'eux soit le même.
Le rotor peut consister alors, par exemple, en deux disques comportant des dents dirigées suivant l'axe et coudées en sens inverses et décalés l'un par rapport à l'autre d'un demi-intervalle de dent, ou être formé par la bande décrite ci-dessus et comportant des dents disposées sur la périphérie de deux disques montés sur l'axe 5 Un des doux disques du rotor ou les deux de ces deux dernières formes de ré- alisation possibles peuvent comporter un aimant permanent.
De plus, l'aimant permanent 27 de la forme de réalisation de la fige 1 peut être disposé du côté opposé du rotor 1 par rapport à l'aimant permanent 18 au lieu de se trouver du même coté. Cette forme de réalisation est représen- tée sur les fige 5 et 6 Le rotor de cette forme de réalisation est formé par deux disques 21 et 22 à dents axiales coudées en sens inverse 2, 3, fixés sur un moyeu 4 en une matière amagnétique. L'aimant permanent 27 est fixé sur le disque 21 et l'aimant permanent 18 sur la portion 19 du stator. Les dents 14, 20 des deux portions respectives 13 et 19 du stator, comportent une portion en biseau 30, fige 6, qui facilite le démarrage dans le sens de rotation indiqué par la flèche.
Un dispositif de blocage de rappel qui consiste dans un organe de blocage
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23 en spirale et un cliquet 24, qui peut osciller sur un axe 28 disposé dans un évidement 29 de l'àimant permanent 18, donne la certitude que le moteur démarre dans tous les cas dans le bon sens. La forme de construction et le fonctionne- ment correspondant par ailleurs à ceux du moteur synchrone de la figo 1 et, par suite, il est inutile de les décrire davantage. Le dispositif comportant deux ai- mants permanents peut aussi être remplacé par trois aimants permanents ou davan- tage. On dispose alors, par exemple dans la forme de réalisation de la fig. 1 un ou plusieurs aimants permanents à gauche du rotor 1.
Il est important lorsque les aimants sont disposés de cette manière, qu'ils aient pour effet non seulement d'adapter le moment d'inertie du système rotatif au couple engendré, mais encore de compenser au moins en partie l'un par l'autre les forces dirigées suivant l'axe et agissant sur ce système. L'avantage de la solution décrite ci-dessus com- portant des aimants permanents disposés de chaque côté du rotor consiste dans la possibilité de faire diminuer à une valeur négligeable la poussée exercée suivant l'axe par le moyeu sur la portée 6 et due à la résultante des forces d'attraction agissant entre l'aimant permanent 27 et la portion 13 du stator ou entre l'aimant permanent 18 et le rotor, suivant les dimensions des aimants 18 et 27.
Le frotte- ment dans la portée axiale 8 peut ainsi être réduit au minimum; en faisant aug- menter le rendement et en prolongeant la durée de vie de ce coussinet. Un autre avantage des aimants ainsi disposés consiste dans l'augmentation d.e l'espace dont on dispose pour monter les deux aimants permanents dans la bobine excitatri- ce par rapport à la solution de la fig. 1. On peut donc monter suivant cette so- lution dans un espace de volume déterminé des aimants permanents plus grands et, par suite, obtenir des couples plus forts.
La forme de construction décrite ci-dessus du petit acteur synchrone permet en répartissant le poids de l'ensemble des aimants permanents en un ai- mant permanent stationnaire et un aimant permanent rotatif d'adapter d'une maniè- re simple le moment d'inertie de l'ensemble rotatif qui se compose du rotor et de l'aimant permanent correspondant, au couple pour assurer la bonne marche du moteur. On peut toujours en même temps donner à l'amplitude du champ alternatif dans l'entrefer la même valeur qu'à celle du champ continu, en obtenant ainsi le couple le plus fort possible pour des dimensions déterminées du moteur syn- chrone.
Un autre avantage résulte des dimensions relativement très faibles du moteur, puisqu'il suffit de prévoir un seul stator et un seul rotor qui n'occu- pent que la cavité formée par la bobine excitatrice creuse, sans que les aimants permanents étant ainsi disposés aient pour effet de modifier la forme du champ ou d'affaiblir fâcheusement le magnétisme de l'aimant permanent sous l'effet du champ alternatif. De plus, le moteur synchrone décrit ci-dessus se oompose d'un petit nombre d'éléments faciles à fabriquer et se prête ainsi parfaitement à une fabrication en série.
Etant donné que l'intervalle entre les dents 14, 20 du stator est très grand par rapport à l'entrefer entre les dents 2, 3 du rotor et les dents respectives 14 et 20 du stator et que la perméabilité réver- sible de la matière magnétique choisie est sensiblement égale à l'unité, le nombre des lignes de force du champ alternatif qui passent dans l'entrefer entre les dents 14, 20 du stator et les aimants permanents respectifs 18, 27 est très faible, de sorte que la totalité du flux alternatif participe pratiquement à la formation du couple. De plus, on peut aimanter l'aimant permanent avant de le monter, car il est insensible dans une large mesure aux influences dé-magnéti- santes, ce qui en simplifie notablement la fabrication. C'est pour la même rai- son qu'on peut démonter le moteur synchrone sans en affaiblir les aimants per- manents.
Un autre avantage résulte encore du fait que les pertes par courants de Foucault sont pratiquement nulles dans les aimants permanents, puisque la ré- sistance électrique spécifique de la matière magnétique choisie est très forte.