CA1129928A - Moteur electrique synchrone a tres faible inertie rotorique a mouvement conique equilibre - Google Patents
Moteur electrique synchrone a tres faible inertie rotorique a mouvement conique equilibreInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
- H02K41/06—Rolling motors, i.e. motors having the rotor axis parallel to the stator axis and following a circular path as the rotor rolls around the inside or outside of the stator ; Nutating motors, i.e. having the rotor axis parallel to the stator axis inclined with respect to the stator axis and performing a nutational movement as the rotor rolls on the stator
- H02K41/065—Nutating motors
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Abstract
BREVET D'INVENTION MOTOR ELECTRIQUE SYNCHRONE A TRES FAIBLE INERTIE ROTORIQUE A MOUVEMENT CONIQUE EQUILIBRE Alexandre TOROSSIAN dit TARASSOFF DE DIVULGATION Moteur synchrone dans lequel une pièce excentrée montée sur l'arbre coopère avec une rotule dont la cage extérieure est solidaire de la surface du rotor pour maintenir une inclinaison prédéterminée de l'axe du rotor par rapport a celui du stator. Un tel moteur a une inertie rotorique particulièrement faible et, au repos, un couple de rappel vers une parmi plusieurs positions d'équilibre stable, ce qui le rend particulièrement apte aux services cycliques et au fonctionnement pas à pas. La conception de ce moteur n'entraîne aucune limitation en ce qui concerne sa puissance utile. Il peut être réalisé de manière à tourner lentement, sans adjonction d'un réducteur de vitesse extérieur.
Description
r f~
L'invention a pour objet un moteur à courant alternatif du type synchrone conc~u pour avoir une inertie rotorigue parti-culièrement faible et au repos, un coup]e de rappel vers une parmi plusieurs positions d'éguilibre stable, ce gui le rend par-ticulièrement apte aux services cycligues et au fonctiDnnement pas à pas. La conception de ce moteur n'entraîne aucune limi~
tation en ce gui concerne sa puissance utile. Il peut être réa-lisé de manière à tourner lentement, sans adjonction d'un réduc-teur de vitesse extérieur.
Le brevet canadien No. 656.182 accordé le 22 janvie~ 1963 aux noms de Claude ROSAIN et Georges STE~BATCHEFF, pour :1'Moteur lent à courant alternatif" décrit un moteur du type synchrone dans le~uel une faible inertie rotorigue est obtenue grâce au fait gue le rotor roule sans glissement sur un chemin de roule-ment solidaire du stator et, de ce fait, ne subit pas de rota-tion rapide autour de son propre axeO Ce moteur ne permet donc d'obtenir ~ue des mouvements lents par rapport à la pulsation du champ tournant et pose, par ailleurs, du fait des vibrations engendrées par le mouvement hypocycloldal, des problèmes de sus-pension délicats.
Le circuit magnétigue de son stator présente nécessai-rement~la particularité d'être agencé pour que le champ tournant soit déphasé de 180 antre les deux entrefers gue comportent les extrémités respectives du rotor, ce gui éloigne sa construction de celle des circuits magnétigues traditiomlels. Enfin7 l'égui-librage d'un tel moteur ne peut être obtenu gu'au prix d'arti-fices gui en compliguent la réalisationO
L'invention se propose de s'affrancllir de ces incon-vénients en utilisant un circuit magnétigue statorigue de type traditiom1el engendrant un champ tournant de même direction aux deux extrémités du rotor, et en maintenant, au moyen d'au moins - 1 - ~.
~l~25a~z~
une pièce excentrigue par rapport à l'arbre du moteur, une incli-naison constante de l'axe du rotor par rapport à celui du stator, si bien ~ue le rotor ef~ectue un mouvement conigue~
Il résulte de ce mouvement conigue ~u'~me inertie roto-rigue particulièrement ~aible est obtenue et gue, compte tenu du ~fait gue le circuit magnétigue présente, par ailleurs~ une symé-trie de révolution, le moteur comporte plusieurs positions défi-nissant un entre~er minimum et par conséguent, un éguilibre stableO
Le moteur suivant l~invention comporte donc un rotor et un stator dé~inissant entre eux un entre~er à cha~ue extrémité, ayant un axe de révolution et un centre de symétrie commun à
l'intersection de ces deux axes 7 un bobinage statori~ue alimenté
et agencé pour engendrer un champ tournant de même direction dans les deux entre~ers et des moyens de polariser magnétiguement avec des signes contraires les deux extrerllités du rotor et est carac-térise par des mo~ens de maintenir à une valeur constante l'in-clinaison de l'axe du rotor par rapport à celui du stator et de convertir le mouvement conigue du rotor ainsi obtenu en une ro-tation de l'arbre du moteur.
Suivant un premier mode d~exécution, lesdits moyens comportent au moins une pièce excentrée par rapport à l'arbre du moteur et coopérant avec une rotule dont la cage extérieure est solidaire de la sur~ace du rotorO
Suivant un second mode d'exécution, lesdits moyens comportent au moins un pignon ou une roue centré sur l'arbre du moteur et coopérant avec une couronne solidaire de la sur~ace du rotor, ledit pignon et ladite couronne ayant ~me sur~ace co-nigue dont le som~et colncide avec ledit centre de symetrie, l'axe de la couronne étant incliné par rapport à l'arbreO
~g~
Les diverses particularités, ainsi ~ue les avantages de l'invention, apparaltront clairement à la lumière de la descrip-tion ci-apres.
Au dessin annexé :
La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un moteur conforme au premier mode d'exécution de l'invention, ~ue La figure 2 représente en coupe transversale;
La figure 3 représente le détail d'une rotule à billes ~ui sert à l'entralnement de l'arbre par le rotor;
La figure 4 est un diagramme des champs et des ~orces d'attraction destiné à illustrer le fonctionnement du moteur;
La figure 5 représente schémati~uement une variante de réalisation d'un moteur conforme au premier mode d'execution;
La figure 6 représente schémati~uement le rotor d'un moteur conforme au second mode d'exécution;
~a figure 7 représente schélmati~uement le ro-tor d'am motealr conforme à unè variante de réalisation de la figure 6, et ~ La figure 8 représente schémati~uement le rotor d'un moteur con~orme à une varianie du second mode d'exécution~
Aux figures 1 et 2, on a représenté un moteur comportant un stator 1 ayant un axe de symétrie hori~ontal X'X et, sur cet axe, un centre de symétrie C~ Ce stator loge un rotor 2 ayant le même centre de symétrie C et un axe de symetrie 0'0 ~ui fait am angle constant et faible CC (de préférence inférieur à 4) avec l'axe X'X. Les moyens de maintenir le centre de sy~étrie du rotor au point fixe C et d'obtenir le mouvement coni~ue du rotor~ c'est-à-dire de limi.ter llangle ~ comportent, dans le mode d'exécution décrit~ une rotule lisse ou une rotule à billes comportant une cage à portée sphéri~ue 3 centrée en C, montée sur la cage c~lin-3 dri~ue 21 du rotor, dans wn plan perpendiculaire à l'axe 0l0 et gui coopère a~ec ~me cage 4, solidaire d'une pièce annulaire 11 du stator et ayant également une portée spllérigue.
Le stator est muni, à une extrémité, d'un flasgue 12 gui porte ~m palier rigide à roulement 13, leguel supporte un arbre 5 axé sur X'X.
Cet ar~re est solidaire d'un excentrigue 6, lui-meme supporté à l'intérieur de la cage 21 par un roulement à billes à rotule 7.
On a représenté, à la figure 3, l'excentrigue 6, de forme circulaire et centré en un point E de l'axe 0'0 situé à
une distance EK = CE sin ~ de X~7 Le roulement 7 comporte une cage extérieure 71 à portée sphérigue centrée en E solidaire de la cage 21 et une cage intérieure 72 solidaire de la périphérie de l'excentrigueO L'angle ~ a été très exagéré à la figure 30 Revenant à la figure 1, on voit gue le rotor est muni à ses extrémités de deux épanouissements polaires 22 et 23 de surface extérieure coni~ue, le demi-~mgle au sommet du c8ne étant égal à C .
A la ~igure 2, on voit gue le profil des toles du sta~
tor ~orme à cha~ue extrémité guatre poles 140~ 141, 142, 143 dont l'extremité a la forme d'une portion de cylindre axée-sur X'X.
Ainsi, au cours de la rotation de l'axe 0'0 autour de ~'X~ se présentent guatre positions du rotor pour les~uelles il existe, entre chague épanouissement polaire et l'un des pôles du stator, un entrefer minimum de longueur constante. Aux figures 1 et 2, cet entrefer minimum se présente entre le pole 140 et l'épanouis-sement polaire 22. Sa longueur par exemple égale à 0,4 mm, a été
très exagérée au dessinO
Dans un mode d'exécution préféré, le circuit magnéti~ue du moteur comprend des aimants permanents constitués de "tuiles"
ou secteurs portés par le statorO Ces aimants sont au nom~re de ~uatre à cha~ue extrémité du stator dans l'exemple décrit, et désignés par les numéros de ré~érence 150 à 153 et 160 à 163.
Ils sont aimantés radialement, les poles Nord étant par exemple sur leur surface extérieure pour les aimants 160 à 1~3 et sur leur sur~ace intérieure pour les aimants 150 à 153. Ces aimants sont fixés de part et d'autre de la pièce annulaire de support 11, laguelle est centrée en C et constituée en matière amagnétigue.
Ils sont entour~s d'une culasse annulaire 17 en matière magné-tigue douce.
A cha~ue extrémité du stator, un empilage de tôlesma-gnétigues (18 et 19 respectivement) est logé à l'intérieur des aimants et fixé sur une ~ace de la pièce 11. On voit, à la ~igure 1, ~ue chague empilage a la même largeur ~ue les aimants corres-pondantsO Quatre bobines telles ~ue 8, 9 entourent les ~uatre pôles.
La cage et les épanouissements polaires du rotor sont~
dans le mode d'exécution decrit, en matière magnéti~ue douceO
On va maintenant expliguer le ~onctionnement du moteur décrit se référant à la ~igure 4.
Lors~ue les bobines sont parcourues par un courant al-ternati~ polyphasé, un champ tournant H identigue à celui gui serait produit par un aimant tournant à la vitesse W autour de l'axe X'X ( ~ étant la pulsation du courant) est engendré dans chacun des entre~ers. Par ailleurs, le rotor est polarisé par un champ magnéti~ue ~iæe, fourni par les aiman-ts.
Il résulte de cette polarisation ~ue des forces d'at-traction se manifestent entre le stator et les épanouissements polaires du rotorO La résultante de ces forces est, à chague eæ-trémité du rotor,-appliguée au centre (G, G' respectivement) des masses magnéti~ues réparties à cette extrémité (c'est-à-dire en un point de l'axe 0'0) et dirigée radialement vers la position variable de l'entrefer minimumO Soient ~o et F'o les deux résul-tantes (figure 4)0 On peut montrer gu'elles font, avec la direc-tion du champ H, un angle de retard ~ gui croît avec le couple résistant exercé sur l'arbre 5 du moteur.
Le champ H exerce de son coté des forces d'attraction dont les résultantes Fl et F'l, appliguées en G et G~ respecti-vement, sont parallèles à H et dirigées en sens inverse l'une de l'autreO Chacune de ces résultantes Fl et F'l peut être décom-posée en deux forces, dont l'une est dirigée suivant Fo (ou res-pectivement F'o) et l'autre suivant la normale à Fo (ou respec-tivement F'o). Les deux forces Fl cos ~ et F'l cos ~ ainsi ob-tenues s'ajoutent respectivement à Fo et F'o pour former un cou-ple tendant à faire basculer le rotor : ce couple est annulé par la réaction de la cage 71 sur l'excentrigue et l'angle OC est a:insi maintenu à une valeur fixeO
Les deux forces Fl sin ~ et ~'1 sin e forment un couple gui tend à faire tourner G et G' (c'est-à-dire les cen-tr~s de symétrie des deux extrémités du rotor : figure 1) autour de l'axe X' X, à la vitesse an~ulaire ~ .
2C L'axe du rotor effectue donc un mouvement conigue, de demi-angle au sommet ~ , autour de l'axe X'X. L'excentrigue 6 est donc lui-meme entralné à la vitesse ~ autour de X'X.
On notera gue la géométrie du moteur est telle gue le rotor définit, au cours de son mouvement conigue, autant de posi-tions correspondant à un entrefer minimum gue le stator comporte d'épanouissements polaires (à savoir, ~uatre dans l'exemple dé
crit)O Il en résulte gue le moteur possède plusieurs positions d'é~uilibre stable. Lorsgue le moteur est arrêté, un couple de rappel le ramène à la position d'éguilibre stable la plus procheO
Une autre propriété remarguable du moteur décrit est le très faible moment d'iner-tie du rotorO Comme celui-ci ne tourne ~a2~
pas sur lui-même (ou, éventuellement, tourne à une vitesse très faible), son moment d'inertie se réduit, pour chague tranche élé-mentaire de son volume perpendiculaire à son axe, à celui gui correspond à la rotation de la masse de cette tranche supposée concentrée en son centre de gravité G, autour de l'axe X' ~.
On montre finalement gue 17inertie totale du rotor est égale à
1/3 M (L/2 sin o~)2~ L étant la longueur du rotorO Cette guanti--té est très faible, compte tenu de la faible valeur de Q~
Grace aux propriétés gue l'on vient d'énoncer, le moteur décrit sera particulièrement bien adapté à un fonctionnement en pas à pas.
Par ailleurs, le rotor, du fait de sa symétrie par rap-port au point C, est parfaitement éguilibré et n'engendre donc aucune vibration mécanigue. Pour tenir compte de la masse de 1l-excentrigue, on dispose à l'extrémité opposée de la cage 21, une masselotte annulaire d'éguilibrage 2~ igure 1).
Comme les forces Fl et F'l sont proportionnelles au produit du champ tournant par le Elw~ continu dans l'entrefer, et col~le l'amplitude H ne peut dépassar une valeur co~lpatible avec l'échauffement admissible du moteur, il est intéressant de donner au flux continu une ~aleur aussi élevée gue possible. Ce résultat est obtenu en conférant aux aimants une grande surfaceO
A titre d'exemple, en utilisan-t des tôles de stator et des aimants normalisés, la disposition décrite permet d'obtenir une surface d'aimants double de celle de l'entre~er~ Or, la surface d'un aimant torigue placé dans le rotor ne serait ~ue le tiers de celle de l'entrefer, donc l'induc-tion obtenue serait finalement six fois plus faibleO
On notera par ailleurs gue9 dans la disposition décrite~
le flux continu se ferme suivant le trajet représenté en trait plein à la figure 1, tandis gue le flux alternatif se ferme suivant le trajet représenté en poin-tillé à la figure 2, sans traverser les aimants (dont la reluctance est très élevée). Il n'a donc pas tendance à démagnétiser les aimants, ce ~ui est un avantage supplémentaire.
Pour ces diverses raisons, la disposition représentée aux figures 1 et 2 sera le plus sou~ent préférée en prati~ue~
Cette disposition n'est cependant pas limitativeO
Dans le mode d'exécution décrit, le centre C du mou-vement du rotor est matérialisé par une rotule. A titre de va-riante, l'on pourrait supprimer cette rotule (3, figure 1) et remplacer la masselotte (24) par un deuxième excentri~ue 6 a, coopérant avec un deuxième roulement à billes à rotule 7 a (res-pectivement identigues aux organes 6 - 7 de la figure i). L'arbre 5 traverserait alors complètemen-t l'intérieur de la cage rotori~ue et serait supporté par de~lx paliers rigides, portés par deux flasgues du statorO Une telle disposition a été représentée sché
matiguement à la figure 5. Bien entendu, les deux excentri~ues 6 et 6 a doivent être symétrigues par rapport au point C, c'es-t-à-dire ~ue leurs centres sont situés de part et d'autre de l'axe XX' et à égale distance de celui-ci.
A la ~igure 6, on a représenté un rotor comportant une cage 21 ~ui loge, à ses extrémités respectives, deux couron-nes 25 ~ 26 symétri~ues par rapport à C et dont la surface interne est ùne portion d'un cône centré en C, ayant pour axe 0'0 et un demi-angle au sommet ~ 0 Le moteur comporte un arbre 5 ~ui tra-verse complètement le rotor et est supporté par deux paliers dont sont munis les flasgues du stator (non figuré). L'arbre 5 porte deux pigons 27 - 28 symétrigues et de surface conigue centrée en C, ayant pour axe XX' et un demi-angle au sommet (~ - ~). Le rotor comporte par ailleurs deux épanouissements polaires 22 - 23, ayant la même forme ~ue ceux de la figure 1 et coopérant de la même manière avec un stator identigue à celui 9~Z~
du moteur de la figure S (lui-même identi~ue, aux paliers de sup-port de l'arbre près, à celui des figures 1 et 2).
Le mouvement coni~ue du rotor autour de l'axe X'X est donc identi~ue à celui du rotor de ces moteurs~
Les couronnes 25, 26, au cours de ce mou~ement coni~ue du rotor, entraînent les pignons 27 et 28 avec les~uels elles sont constamment en contact suivant une génératrice du cône de demi~angle ( ~
On peut montrer ~ue la vitesse angulaire de rotation de l'arbre 5 est, par rapport à la vitesse angulaire ~ , di-visée par le rapport ~ sin ~ ~ _ CC) ~ sin ~ - sin (~ _CX) L'arbre 5 étant supporté par deux paliers rigides, ne peut évidemment pas subir de translation et la coopération des pignons 27 et 28 avec les couronnes 25 et 26 a pour effet de fixer le centre C de mouvement du rotor et de limiter le bas-culementO Le rotor aurait, par contre, tendance à tourner autour de son propre axe à cause de la réaction au couple résistant. Ce mouvement doit être blo~ué, ce ~ui est obtenu au moyen d'une tige 29, solidaire du stator et dont l'extrémité coopère avec l~évi-dement 30 gue comporte une bague 31 fixée sur la périphérie du rotorO Llévidement 30 a une largeu.r (dimension suivant une direc-tion perpendiculaire au plan de la figure) à peine supérieure au diamètre de la tige, ce ~ui interdit toute rotation du rotor autour de 00'. Par contre, la longueur de l'évidement, (dimension dans la direction 00') est suffisante pour autoriser le mouvement coni~ue du rotor~ --On notera ~ue l.'on pourrait, à titre de variante, ren-dre le pignon solidaire de la surface extérieure du rotor et la couronne solidaire du s-tator.
On notera également ~ue, dans le dispositif de la figure 6, le centrage du rotor au point C n'est obtenu ~ue par _ ~ _ l'éguilibr~ des forces magnetigues dû a la symétrie de la struc-ture. Dans ces ~onditions, les couronnes 25 - ~6 et les pignons ou roues 27 - 28 seront avantageusement lisses, l'entraînement étant réalisé par ~rottementO S'ils étaient dentés, pour un couple résistant trop élevé, il pourrait en effet se produire un décrochage entre les dentures. En e~et, le couple de basculement décroît lors~ue le déphasage entre l~entrePer minimum et H aug-mente.
Dans la variante de la figure 7, où les mêmes numéros de référence désignent des numéros de référence homologues à ceux de la ~igure 6, le centre C est au contraire, fixé par une rotule 33 - 34~ analogue à celle de la ~igure ln Par ailleurs si, à une extrémité du rotor~ on retrouve bien la couronne 26 et le pignon 28 de la ~igure 6, à l'autre extrémité, ils sont remplacés par une rotule à billes 35 - 360 La cage inférieure 36 n'étant pas excentrée par rapport à X'Xj cette rotule n'assure pas l'entraî-nement de l'axe 5. Par contre9 la cage extérieure 35, étant centrée sur 0'0, est donc excentrée par rapport à l'arbre 5, de manière à assurer le maintien de l'angle Cc , ce qui évite le décroche-ment du pignon 280 La masse de la cage 35 éguilibre celle de la couronne 260 Lléntra~nement de l'arbre est assuré par la coopération du pignon 20 et de la couronne 26, de pré~érence dentés, a~ant évidemment des dentures de m8me moduleO
Le rapport de réduction est le meme ~ue dans le moteur de la ~igure 60 Dans la variante de la figure 8, on retrouve la rotule centrale 33 - 34 gui assure la ~ixation du point C et la rotule à cage extérieure excentrée 35 - 36, destinée à maintenir l'an-gle ~ , mais la rotation du rotor 21 sur lui-même n'est pas bloguée. La coopération d'une couronne coni~ue 32, de demi~angle ' ~ , .
B
au sommet ~ ', solidaire de la cage 21, avec une couronne 377 solidaire du sta*or et de demi-angle au sommet ~ ' - C, a pour ePfet d'imposer au rotor, en plus de son mouvement coni~ue autour de l'axe X'X provo~ué par l'action des forces magnéti~ues, un mouvement de rotation lent autour de son propre axe 0'0, dont la vitesse angulaire est divisée par rapport à W , par le rapport sin ~ ' - C~
sin ~ i _ sin (~ ' - C~'~
Ce mouvement de rotation autour de 0'0 est converti en un mouvement de rotation autour de l'axe X'X à vitesse plus réduite par la ¢oopération d'une couronne 38 solidaire de la cage rotori-~ue 21 et d'un pignon 39 solidaire de l'arbre 5, ces deux organes 38 - 39 ayant une surface coni~ue de demi-angle au sommet ~
différent de ~' et les axes des couronnes 32 et 38 étant con-fondus avec 0'0.
On peut montrer ~ue la vitlesse de l'arbre est, par rapport à ~ , multipliée par ~ = sin ( ~ __ Cc). ~in ~ _ 1 sin ~' sin (~ _o~) A titre d'exemple~ pour ~ = 30, ~' = 45 et = 3, on trouve ~ = o , o46s .
Il va de soi ~ue les modes d'exécution décrits et représentés ne sont pas limitatifs. Le rotor pourrait en parti~
culier, 8tre extérieur au stator.
~"'~
L'invention a pour objet un moteur à courant alternatif du type synchrone conc~u pour avoir une inertie rotorigue parti-culièrement faible et au repos, un coup]e de rappel vers une parmi plusieurs positions d'éguilibre stable, ce gui le rend par-ticulièrement apte aux services cycligues et au fonctiDnnement pas à pas. La conception de ce moteur n'entraîne aucune limi~
tation en ce gui concerne sa puissance utile. Il peut être réa-lisé de manière à tourner lentement, sans adjonction d'un réduc-teur de vitesse extérieur.
Le brevet canadien No. 656.182 accordé le 22 janvie~ 1963 aux noms de Claude ROSAIN et Georges STE~BATCHEFF, pour :1'Moteur lent à courant alternatif" décrit un moteur du type synchrone dans le~uel une faible inertie rotorigue est obtenue grâce au fait gue le rotor roule sans glissement sur un chemin de roule-ment solidaire du stator et, de ce fait, ne subit pas de rota-tion rapide autour de son propre axeO Ce moteur ne permet donc d'obtenir ~ue des mouvements lents par rapport à la pulsation du champ tournant et pose, par ailleurs, du fait des vibrations engendrées par le mouvement hypocycloldal, des problèmes de sus-pension délicats.
Le circuit magnétigue de son stator présente nécessai-rement~la particularité d'être agencé pour que le champ tournant soit déphasé de 180 antre les deux entrefers gue comportent les extrémités respectives du rotor, ce gui éloigne sa construction de celle des circuits magnétigues traditiomlels. Enfin7 l'égui-librage d'un tel moteur ne peut être obtenu gu'au prix d'arti-fices gui en compliguent la réalisationO
L'invention se propose de s'affrancllir de ces incon-vénients en utilisant un circuit magnétigue statorigue de type traditiom1el engendrant un champ tournant de même direction aux deux extrémités du rotor, et en maintenant, au moyen d'au moins - 1 - ~.
~l~25a~z~
une pièce excentrigue par rapport à l'arbre du moteur, une incli-naison constante de l'axe du rotor par rapport à celui du stator, si bien ~ue le rotor ef~ectue un mouvement conigue~
Il résulte de ce mouvement conigue ~u'~me inertie roto-rigue particulièrement ~aible est obtenue et gue, compte tenu du ~fait gue le circuit magnétigue présente, par ailleurs~ une symé-trie de révolution, le moteur comporte plusieurs positions défi-nissant un entre~er minimum et par conséguent, un éguilibre stableO
Le moteur suivant l~invention comporte donc un rotor et un stator dé~inissant entre eux un entre~er à cha~ue extrémité, ayant un axe de révolution et un centre de symétrie commun à
l'intersection de ces deux axes 7 un bobinage statori~ue alimenté
et agencé pour engendrer un champ tournant de même direction dans les deux entre~ers et des moyens de polariser magnétiguement avec des signes contraires les deux extrerllités du rotor et est carac-térise par des mo~ens de maintenir à une valeur constante l'in-clinaison de l'axe du rotor par rapport à celui du stator et de convertir le mouvement conigue du rotor ainsi obtenu en une ro-tation de l'arbre du moteur.
Suivant un premier mode d~exécution, lesdits moyens comportent au moins une pièce excentrée par rapport à l'arbre du moteur et coopérant avec une rotule dont la cage extérieure est solidaire de la sur~ace du rotorO
Suivant un second mode d'exécution, lesdits moyens comportent au moins un pignon ou une roue centré sur l'arbre du moteur et coopérant avec une couronne solidaire de la sur~ace du rotor, ledit pignon et ladite couronne ayant ~me sur~ace co-nigue dont le som~et colncide avec ledit centre de symetrie, l'axe de la couronne étant incliné par rapport à l'arbreO
~g~
Les diverses particularités, ainsi ~ue les avantages de l'invention, apparaltront clairement à la lumière de la descrip-tion ci-apres.
Au dessin annexé :
La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un moteur conforme au premier mode d'exécution de l'invention, ~ue La figure 2 représente en coupe transversale;
La figure 3 représente le détail d'une rotule à billes ~ui sert à l'entralnement de l'arbre par le rotor;
La figure 4 est un diagramme des champs et des ~orces d'attraction destiné à illustrer le fonctionnement du moteur;
La figure 5 représente schémati~uement une variante de réalisation d'un moteur conforme au premier mode d'execution;
La figure 6 représente schémati~uement le rotor d'un moteur conforme au second mode d'exécution;
~a figure 7 représente schélmati~uement le ro-tor d'am motealr conforme à unè variante de réalisation de la figure 6, et ~ La figure 8 représente schémati~uement le rotor d'un moteur con~orme à une varianie du second mode d'exécution~
Aux figures 1 et 2, on a représenté un moteur comportant un stator 1 ayant un axe de symétrie hori~ontal X'X et, sur cet axe, un centre de symétrie C~ Ce stator loge un rotor 2 ayant le même centre de symétrie C et un axe de symetrie 0'0 ~ui fait am angle constant et faible CC (de préférence inférieur à 4) avec l'axe X'X. Les moyens de maintenir le centre de sy~étrie du rotor au point fixe C et d'obtenir le mouvement coni~ue du rotor~ c'est-à-dire de limi.ter llangle ~ comportent, dans le mode d'exécution décrit~ une rotule lisse ou une rotule à billes comportant une cage à portée sphéri~ue 3 centrée en C, montée sur la cage c~lin-3 dri~ue 21 du rotor, dans wn plan perpendiculaire à l'axe 0l0 et gui coopère a~ec ~me cage 4, solidaire d'une pièce annulaire 11 du stator et ayant également une portée spllérigue.
Le stator est muni, à une extrémité, d'un flasgue 12 gui porte ~m palier rigide à roulement 13, leguel supporte un arbre 5 axé sur X'X.
Cet ar~re est solidaire d'un excentrigue 6, lui-meme supporté à l'intérieur de la cage 21 par un roulement à billes à rotule 7.
On a représenté, à la figure 3, l'excentrigue 6, de forme circulaire et centré en un point E de l'axe 0'0 situé à
une distance EK = CE sin ~ de X~7 Le roulement 7 comporte une cage extérieure 71 à portée sphérigue centrée en E solidaire de la cage 21 et une cage intérieure 72 solidaire de la périphérie de l'excentrigueO L'angle ~ a été très exagéré à la figure 30 Revenant à la figure 1, on voit gue le rotor est muni à ses extrémités de deux épanouissements polaires 22 et 23 de surface extérieure coni~ue, le demi-~mgle au sommet du c8ne étant égal à C .
A la ~igure 2, on voit gue le profil des toles du sta~
tor ~orme à cha~ue extrémité guatre poles 140~ 141, 142, 143 dont l'extremité a la forme d'une portion de cylindre axée-sur X'X.
Ainsi, au cours de la rotation de l'axe 0'0 autour de ~'X~ se présentent guatre positions du rotor pour les~uelles il existe, entre chague épanouissement polaire et l'un des pôles du stator, un entrefer minimum de longueur constante. Aux figures 1 et 2, cet entrefer minimum se présente entre le pole 140 et l'épanouis-sement polaire 22. Sa longueur par exemple égale à 0,4 mm, a été
très exagérée au dessinO
Dans un mode d'exécution préféré, le circuit magnéti~ue du moteur comprend des aimants permanents constitués de "tuiles"
ou secteurs portés par le statorO Ces aimants sont au nom~re de ~uatre à cha~ue extrémité du stator dans l'exemple décrit, et désignés par les numéros de ré~érence 150 à 153 et 160 à 163.
Ils sont aimantés radialement, les poles Nord étant par exemple sur leur surface extérieure pour les aimants 160 à 1~3 et sur leur sur~ace intérieure pour les aimants 150 à 153. Ces aimants sont fixés de part et d'autre de la pièce annulaire de support 11, laguelle est centrée en C et constituée en matière amagnétigue.
Ils sont entour~s d'une culasse annulaire 17 en matière magné-tigue douce.
A cha~ue extrémité du stator, un empilage de tôlesma-gnétigues (18 et 19 respectivement) est logé à l'intérieur des aimants et fixé sur une ~ace de la pièce 11. On voit, à la ~igure 1, ~ue chague empilage a la même largeur ~ue les aimants corres-pondantsO Quatre bobines telles ~ue 8, 9 entourent les ~uatre pôles.
La cage et les épanouissements polaires du rotor sont~
dans le mode d'exécution decrit, en matière magnéti~ue douceO
On va maintenant expliguer le ~onctionnement du moteur décrit se référant à la ~igure 4.
Lors~ue les bobines sont parcourues par un courant al-ternati~ polyphasé, un champ tournant H identigue à celui gui serait produit par un aimant tournant à la vitesse W autour de l'axe X'X ( ~ étant la pulsation du courant) est engendré dans chacun des entre~ers. Par ailleurs, le rotor est polarisé par un champ magnéti~ue ~iæe, fourni par les aiman-ts.
Il résulte de cette polarisation ~ue des forces d'at-traction se manifestent entre le stator et les épanouissements polaires du rotorO La résultante de ces forces est, à chague eæ-trémité du rotor,-appliguée au centre (G, G' respectivement) des masses magnéti~ues réparties à cette extrémité (c'est-à-dire en un point de l'axe 0'0) et dirigée radialement vers la position variable de l'entrefer minimumO Soient ~o et F'o les deux résul-tantes (figure 4)0 On peut montrer gu'elles font, avec la direc-tion du champ H, un angle de retard ~ gui croît avec le couple résistant exercé sur l'arbre 5 du moteur.
Le champ H exerce de son coté des forces d'attraction dont les résultantes Fl et F'l, appliguées en G et G~ respecti-vement, sont parallèles à H et dirigées en sens inverse l'une de l'autreO Chacune de ces résultantes Fl et F'l peut être décom-posée en deux forces, dont l'une est dirigée suivant Fo (ou res-pectivement F'o) et l'autre suivant la normale à Fo (ou respec-tivement F'o). Les deux forces Fl cos ~ et F'l cos ~ ainsi ob-tenues s'ajoutent respectivement à Fo et F'o pour former un cou-ple tendant à faire basculer le rotor : ce couple est annulé par la réaction de la cage 71 sur l'excentrigue et l'angle OC est a:insi maintenu à une valeur fixeO
Les deux forces Fl sin ~ et ~'1 sin e forment un couple gui tend à faire tourner G et G' (c'est-à-dire les cen-tr~s de symétrie des deux extrémités du rotor : figure 1) autour de l'axe X' X, à la vitesse an~ulaire ~ .
2C L'axe du rotor effectue donc un mouvement conigue, de demi-angle au sommet ~ , autour de l'axe X'X. L'excentrigue 6 est donc lui-meme entralné à la vitesse ~ autour de X'X.
On notera gue la géométrie du moteur est telle gue le rotor définit, au cours de son mouvement conigue, autant de posi-tions correspondant à un entrefer minimum gue le stator comporte d'épanouissements polaires (à savoir, ~uatre dans l'exemple dé
crit)O Il en résulte gue le moteur possède plusieurs positions d'é~uilibre stable. Lorsgue le moteur est arrêté, un couple de rappel le ramène à la position d'éguilibre stable la plus procheO
Une autre propriété remarguable du moteur décrit est le très faible moment d'iner-tie du rotorO Comme celui-ci ne tourne ~a2~
pas sur lui-même (ou, éventuellement, tourne à une vitesse très faible), son moment d'inertie se réduit, pour chague tranche élé-mentaire de son volume perpendiculaire à son axe, à celui gui correspond à la rotation de la masse de cette tranche supposée concentrée en son centre de gravité G, autour de l'axe X' ~.
On montre finalement gue 17inertie totale du rotor est égale à
1/3 M (L/2 sin o~)2~ L étant la longueur du rotorO Cette guanti--té est très faible, compte tenu de la faible valeur de Q~
Grace aux propriétés gue l'on vient d'énoncer, le moteur décrit sera particulièrement bien adapté à un fonctionnement en pas à pas.
Par ailleurs, le rotor, du fait de sa symétrie par rap-port au point C, est parfaitement éguilibré et n'engendre donc aucune vibration mécanigue. Pour tenir compte de la masse de 1l-excentrigue, on dispose à l'extrémité opposée de la cage 21, une masselotte annulaire d'éguilibrage 2~ igure 1).
Comme les forces Fl et F'l sont proportionnelles au produit du champ tournant par le Elw~ continu dans l'entrefer, et col~le l'amplitude H ne peut dépassar une valeur co~lpatible avec l'échauffement admissible du moteur, il est intéressant de donner au flux continu une ~aleur aussi élevée gue possible. Ce résultat est obtenu en conférant aux aimants une grande surfaceO
A titre d'exemple, en utilisan-t des tôles de stator et des aimants normalisés, la disposition décrite permet d'obtenir une surface d'aimants double de celle de l'entre~er~ Or, la surface d'un aimant torigue placé dans le rotor ne serait ~ue le tiers de celle de l'entrefer, donc l'induc-tion obtenue serait finalement six fois plus faibleO
On notera par ailleurs gue9 dans la disposition décrite~
le flux continu se ferme suivant le trajet représenté en trait plein à la figure 1, tandis gue le flux alternatif se ferme suivant le trajet représenté en poin-tillé à la figure 2, sans traverser les aimants (dont la reluctance est très élevée). Il n'a donc pas tendance à démagnétiser les aimants, ce ~ui est un avantage supplémentaire.
Pour ces diverses raisons, la disposition représentée aux figures 1 et 2 sera le plus sou~ent préférée en prati~ue~
Cette disposition n'est cependant pas limitativeO
Dans le mode d'exécution décrit, le centre C du mou-vement du rotor est matérialisé par une rotule. A titre de va-riante, l'on pourrait supprimer cette rotule (3, figure 1) et remplacer la masselotte (24) par un deuxième excentri~ue 6 a, coopérant avec un deuxième roulement à billes à rotule 7 a (res-pectivement identigues aux organes 6 - 7 de la figure i). L'arbre 5 traverserait alors complètemen-t l'intérieur de la cage rotori~ue et serait supporté par de~lx paliers rigides, portés par deux flasgues du statorO Une telle disposition a été représentée sché
matiguement à la figure 5. Bien entendu, les deux excentri~ues 6 et 6 a doivent être symétrigues par rapport au point C, c'es-t-à-dire ~ue leurs centres sont situés de part et d'autre de l'axe XX' et à égale distance de celui-ci.
A la ~igure 6, on a représenté un rotor comportant une cage 21 ~ui loge, à ses extrémités respectives, deux couron-nes 25 ~ 26 symétri~ues par rapport à C et dont la surface interne est ùne portion d'un cône centré en C, ayant pour axe 0'0 et un demi-angle au sommet ~ 0 Le moteur comporte un arbre 5 ~ui tra-verse complètement le rotor et est supporté par deux paliers dont sont munis les flasgues du stator (non figuré). L'arbre 5 porte deux pigons 27 - 28 symétrigues et de surface conigue centrée en C, ayant pour axe XX' et un demi-angle au sommet (~ - ~). Le rotor comporte par ailleurs deux épanouissements polaires 22 - 23, ayant la même forme ~ue ceux de la figure 1 et coopérant de la même manière avec un stator identigue à celui 9~Z~
du moteur de la figure S (lui-même identi~ue, aux paliers de sup-port de l'arbre près, à celui des figures 1 et 2).
Le mouvement coni~ue du rotor autour de l'axe X'X est donc identi~ue à celui du rotor de ces moteurs~
Les couronnes 25, 26, au cours de ce mou~ement coni~ue du rotor, entraînent les pignons 27 et 28 avec les~uels elles sont constamment en contact suivant une génératrice du cône de demi~angle ( ~
On peut montrer ~ue la vitesse angulaire de rotation de l'arbre 5 est, par rapport à la vitesse angulaire ~ , di-visée par le rapport ~ sin ~ ~ _ CC) ~ sin ~ - sin (~ _CX) L'arbre 5 étant supporté par deux paliers rigides, ne peut évidemment pas subir de translation et la coopération des pignons 27 et 28 avec les couronnes 25 et 26 a pour effet de fixer le centre C de mouvement du rotor et de limiter le bas-culementO Le rotor aurait, par contre, tendance à tourner autour de son propre axe à cause de la réaction au couple résistant. Ce mouvement doit être blo~ué, ce ~ui est obtenu au moyen d'une tige 29, solidaire du stator et dont l'extrémité coopère avec l~évi-dement 30 gue comporte une bague 31 fixée sur la périphérie du rotorO Llévidement 30 a une largeu.r (dimension suivant une direc-tion perpendiculaire au plan de la figure) à peine supérieure au diamètre de la tige, ce ~ui interdit toute rotation du rotor autour de 00'. Par contre, la longueur de l'évidement, (dimension dans la direction 00') est suffisante pour autoriser le mouvement coni~ue du rotor~ --On notera ~ue l.'on pourrait, à titre de variante, ren-dre le pignon solidaire de la surface extérieure du rotor et la couronne solidaire du s-tator.
On notera également ~ue, dans le dispositif de la figure 6, le centrage du rotor au point C n'est obtenu ~ue par _ ~ _ l'éguilibr~ des forces magnetigues dû a la symétrie de la struc-ture. Dans ces ~onditions, les couronnes 25 - ~6 et les pignons ou roues 27 - 28 seront avantageusement lisses, l'entraînement étant réalisé par ~rottementO S'ils étaient dentés, pour un couple résistant trop élevé, il pourrait en effet se produire un décrochage entre les dentures. En e~et, le couple de basculement décroît lors~ue le déphasage entre l~entrePer minimum et H aug-mente.
Dans la variante de la figure 7, où les mêmes numéros de référence désignent des numéros de référence homologues à ceux de la ~igure 6, le centre C est au contraire, fixé par une rotule 33 - 34~ analogue à celle de la ~igure ln Par ailleurs si, à une extrémité du rotor~ on retrouve bien la couronne 26 et le pignon 28 de la ~igure 6, à l'autre extrémité, ils sont remplacés par une rotule à billes 35 - 360 La cage inférieure 36 n'étant pas excentrée par rapport à X'Xj cette rotule n'assure pas l'entraî-nement de l'axe 5. Par contre9 la cage extérieure 35, étant centrée sur 0'0, est donc excentrée par rapport à l'arbre 5, de manière à assurer le maintien de l'angle Cc , ce qui évite le décroche-ment du pignon 280 La masse de la cage 35 éguilibre celle de la couronne 260 Lléntra~nement de l'arbre est assuré par la coopération du pignon 20 et de la couronne 26, de pré~érence dentés, a~ant évidemment des dentures de m8me moduleO
Le rapport de réduction est le meme ~ue dans le moteur de la ~igure 60 Dans la variante de la figure 8, on retrouve la rotule centrale 33 - 34 gui assure la ~ixation du point C et la rotule à cage extérieure excentrée 35 - 36, destinée à maintenir l'an-gle ~ , mais la rotation du rotor 21 sur lui-même n'est pas bloguée. La coopération d'une couronne coni~ue 32, de demi~angle ' ~ , .
B
au sommet ~ ', solidaire de la cage 21, avec une couronne 377 solidaire du sta*or et de demi-angle au sommet ~ ' - C, a pour ePfet d'imposer au rotor, en plus de son mouvement coni~ue autour de l'axe X'X provo~ué par l'action des forces magnéti~ues, un mouvement de rotation lent autour de son propre axe 0'0, dont la vitesse angulaire est divisée par rapport à W , par le rapport sin ~ ' - C~
sin ~ i _ sin (~ ' - C~'~
Ce mouvement de rotation autour de 0'0 est converti en un mouvement de rotation autour de l'axe X'X à vitesse plus réduite par la ¢oopération d'une couronne 38 solidaire de la cage rotori-~ue 21 et d'un pignon 39 solidaire de l'arbre 5, ces deux organes 38 - 39 ayant une surface coni~ue de demi-angle au sommet ~
différent de ~' et les axes des couronnes 32 et 38 étant con-fondus avec 0'0.
On peut montrer ~ue la vitlesse de l'arbre est, par rapport à ~ , multipliée par ~ = sin ( ~ __ Cc). ~in ~ _ 1 sin ~' sin (~ _o~) A titre d'exemple~ pour ~ = 30, ~' = 45 et = 3, on trouve ~ = o , o46s .
Il va de soi ~ue les modes d'exécution décrits et représentés ne sont pas limitatifs. Le rotor pourrait en parti~
culier, 8tre extérieur au stator.
~"'~
Claims (11)
1. Moteur synchrone comportant : un stator ; un rotor mon-té rotatif en position inclinée à l'intérieur du stator et ayant une cage de forme générale cylindrique, le stator ayant également une forme générale cylindrique et, à ses extrémités respectives, deux pluralités de pôles définissant, avec les extrémités corres-pondantes du rotor, deux pluralités respectives d'entrefers ; un arbre de sortie coaxial au stator et monté dans des paliers fixes ;
des moyens de liaison et de transmission de mouvement entre la ca-ge du rotor et l'arbre de sortie ; un bobinage statorique alimenté
et agencé pour engendrer un champ tournant radial de même direction dans les deux pluralités d'entrefers ; et des moyens de polariser magnétiquement, avec des signes contraires, les deux extrémités du rotor, ladite cage et ledit stator ayant des axes de symétrie qui se coupent en un centre de symétrie, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison et de transmission de mouvement comprennent des moyens d'accouplement servant à maintenir à une valeur constante l'angle d'inclinaison de l'axe de symétrie du rotor sur celui du stator au cours du mouvement conique de l'axe du rotor autour de l'axe de symétrie du stator, lesdits moyens d'accouplement compre-nant des moyens excentriques montés rotatifs autour de l'un desdits axes de symétrie et des moyens de guidage coopérant avec ledits mo-yens excentriques.
des moyens de liaison et de transmission de mouvement entre la ca-ge du rotor et l'arbre de sortie ; un bobinage statorique alimenté
et agencé pour engendrer un champ tournant radial de même direction dans les deux pluralités d'entrefers ; et des moyens de polariser magnétiquement, avec des signes contraires, les deux extrémités du rotor, ladite cage et ledit stator ayant des axes de symétrie qui se coupent en un centre de symétrie, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison et de transmission de mouvement comprennent des moyens d'accouplement servant à maintenir à une valeur constante l'angle d'inclinaison de l'axe de symétrie du rotor sur celui du stator au cours du mouvement conique de l'axe du rotor autour de l'axe de symétrie du stator, lesdits moyens d'accouplement compre-nant des moyens excentriques montés rotatifs autour de l'un desdits axes de symétrie et des moyens de guidage coopérant avec ledits mo-yens excentriques.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage forment avec lesdits moyens excentriques une rotule.
3. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens excentriques comportent deux pièces excentrées montées fixes sur l'arbre de sortie aux extrémités respectives de la cage, tandis que lesdits moyens de guidage comprennent deux surfaces de guidage formant des rotules avec les deux pièces excen-trées respectives.
4. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage comprennent une autre rotule ayant une cage perpendiculaire à l'axe de symétrie du rotor, solidaire de la région médiane de la surface externe du rotor et centrée audit cen-tre de symétrie, et une autre cage montée fixe et perpendiculaire à
l'arbre de sortie.
l'arbre de sortie.
5. Moteur selon la revendication 3 9 caractérisé en ce que les deux pièces excentrées sont montées sur l'arbre de sortie avec leurs excentricités en opposition et que les deux surfaces de gui-dage font partie de deux cages solidaires de la cage du rotor sur la surface interne de celle-ci.
6. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite rotule a une cage extérieure excentrée montée dans la cage du stator et une cage intérieure montée sur ledit arbre de sortie, les-dits moyens de liaison et de transmission de mouvement comprenant au moins un pignon conique centré sur ledit arbre de sortie et coopé-rant avec une couronne dentée conique, les sommets des cônes primi-tifs dudit pignon et de ladite couronne dentée coïncident avec ledit centre de symétrie et leurs demi-angles au sommet diffèrent entre eux d'un angle égal audit angle d'inclinaison.
7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens sont prévus pour empêcher la rotation du rotor autour de son axe de symétrie, tout en autorisant son mouvement conique.
8. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison et de transmission de mouvement com-portent un deuxième pignon conique solidaire du stator et coopé-rant avec une deuxième couronne dentée conique solidaire du rotor, le deuxième pignon et la deuxième couronne ayant des cônes primitifs dont le sommet coïncide avec ledit centre de symétrie, l'axe de la deuxième couronne coïncident avec celui de la première, mais les angles au sommet des deux cônes primitifs des deux cou-ronnes étant différents.
9. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de polarisation du rotor sont agencés pour bloquer le mouvement conique du rotor et la rotation de l'axe du rotor dès la coupure de l'alimentation de l'enroulement statorique.
10. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation magnétiques du rotor comprennent deux couronnes d'aimants à aimantation radiale, respectivement mon-tées aux deux extrémités du stator et aimantées en sens inverse.
11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les deux couronnes d'aimants sont montées entre une culasse exté-rieure en matière magnétique qui règne sur toute la longueur du stator et deux empilages respectifs de tôles magnétiques formant les deux dites pluralités de pôles.
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