Moteur synchrone à autodémarrage Dans nombre d'applications électriques on a affaire à des appareils qui doivent être entraînés à une vitesse parfaitement constante. Tel est le cas, par exemple, des innombrables appareils utilisés en hor logerie technique, dans lesquels les moteurs sont des bases de temps, ou des tourne-disques., des mécanismes d'entraînement d'une bande ou d'un fil magnétique dans les appareils d'enregistrement et de reproduction des sons, et de bien d'autres dispositifs de ce genre.
Il importe, par conséquent, que les mo teurs électriques qui commandent ces appareils tour nent à une vitesse constante.
On connaît déjà plusieurs solutions pour main tenir constante la vitesse d'un moteur électrique, qu'il soit alimenté en courant continu ou en cou rant alternatif.
Mais la plupart des solutions connues ne sont pas applicables aux petits moteurs électri ques, à cause des complications constructives et de l'encombrement souvent excessif qu'elles entraînent. D'autre part, l'emploi de moteurs synchrones, qui assureraient de manière satisfaisante une rotation constante, a le désavantage d'exiger des dispositifs auxiliaires pour le démarrage du moteur, ce qui a comme conséquence un accroissement du prix de re vient et de l'encombrement du moteur.
Afin d'éli miner ces dispositifs auxiliaires, on a déjà proposé un moteur asynchrone-synchronisé alimenté par un courant biphasé ou triphasé, à variation de réluc tance d'induit. Dans ce moteur le rotor est constitué par un cylindre métallique portant des saillies en forme de pôles. Lors du démarrage du moteur, le cy lindre métallique forme un rotor en court-circuit et est entrainé en rotation sous l'action du champ tour nant engendré par l'inducteur.
Au synchronisme, les saillies du rotor agissent comme des pôles magnéti- ques, de sorte que le rotor tourne à la vitesse de synchronisme. Ce moteur toutefois présente l'incon vénient d'un entrefer de très grandes dimensions ce qui entraîne un encombrement excessif, un faible facteur de puissance et un très bas rendement.
La présente invention a pour but de fournir un moteur synchrone à autodémarrage qui soit exempt des inconvénients susmentionnés. Ce moteur com prend un rotor muni d'au moins -une bague conduc trice fonctionnant lors du démarrage comme un in duit en court-circuit d'un moteur asynchrone et d'au moins un organe aimanté, destiné à assurer l'entraî nement du rotor à la vitesse de synchronisme,
le ro tor étant logé dans un stator agencé de manière à produire un champ tournant. Ce moteur est caracté risé en ce que ledit organe aimanté est constitué par une bague formant un aimant permanent, faite en matière à pertes par courants de Foucault et par hystérésis presque nulles et montée sur un moyeu en matière non magnétique sur lequel est montée co- axialement ladite bague conductrice.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution du moteur selon l'in vention.
La fig. 1 montre une vue en plan d'un mo teur alimenté par un courant monophasé.
Les fig. la et lb montrent respectivement une vue en élévation avec coupe partielle et une vue de face du rotor du moteur de la fig. 1.
Les fig. <I>2a</I> et<I>2b</I> montrent respectivement une vue en élévation avec coupe partielle et une vue de face d'une variante du rotor du moteur de la fig. 1. Les fig. 3a, 3b et 3c sont des vues en élévation, avec coupes partielles de trois variantes du rotor des fig. <I>2a</I> et<I>2b.</I>
Les fig. 4a et 4b montrent respectivement une vue en élévation avec coupe partielle et une vue de face d'une autre variante du rotor du moteur de la fig. 1.
Les fig. <I>5a</I> et 5b sont des figures semblables aux fig. <I>4a</I> et<I>4b,</I> montrant une autre variante du rotor du moteur de la fig. 1.
Les fig. 6a et 6b sont des figures semblables aux fig. <I>4a</I> et<I>4b,</I> montrant une autre variante du rotor du moteur de la fig. 1.
En se rapportant à la fig. 1, on voit que le mo teur représenté est constitué par un noyau statorique 1 en forme de C, formé de tôles magnétiques minces assemblées par des boulons 5. Sur un côté du noyau 1 est monté l'enroulement inducteur, constitué par une bobine 2, qui est alimentée par un courant mono phasé.
Le noyau statorique 1 est pourvu de deux pai res de pièces polaires 3, 3' et 4, 4' respectivement, deux à deux opposées entre lesquelles est monté, et peut tourner, un rotor 7. Sur deux pièces polaires diamétralement opposées appartenant à deux pôles différents, c'est-à-dire sur les pièces polaires 3' et 4 dans le cas de la fig. 1, sont montés des anneaux 6 et 6' respectivement, en métal bon conducteur, mais non magnétique, par exemple en cuivre ou en laiton.
Cette disposition, déjà connue, permet de créer un champ tournant entre les pièces polaires du noyau statorique, pour entraîner le rotor 7. En effet,
le flux magnétique alternatif engendré dans le noyau stato- rique 1 par la bobine 2 produit dans ces anneaux 6 et 6' des courants induits décalés de 90o par rap port au courant d'alimentation et ces courants pro duisent à leur tour un flux magnétique alternatif dé calé de 90,1 par rapport au flux magnétique induc teur, de sorte qu'entre les deux paires de pièces polaires opposées 4 et 3',
3 et 4' on obtient deux flux magnétiques alternatifs, décalés de 900 dans le temps et dans l'espace, qui forment par conséquent, ainsi que l'on sait, un champ tournant.
Le rotor 7, qui sera décrit plus en détail ci-après, est construit de manière à pouvoir fonctionner com me un rotor en court-circuit lors du démarrage du moteur et comme un rotor d'un moteur synchrone lorsqu'il atteint la vitesse de synchronisme.
En se rapportant aux fig. 1a et lb, le rotor est constitué par un support cylindrique 8, en forme de poulie, présentant un moyeu 9 destiné au montage sur un arbre non représenté. Dans le support 8 sont ménagés des trous 11, qui servent à alléger la cons truction. Le support cylindrique 8 est de préférence formé d'un métal léger, par exemple en aluminium, mais il pourrait être formé tout aussi bien d'une ma tière non métallique, telle qu'une matière synthétique moulée, présentant une résistance mécanique suffi sante.
Sur la face extérieure du support 8 est forcée une bague conductrice 10, par exemple en cuivre ou en fer doux, maintenue contre les épaulements 8' et 8" du support 8. Un aimant permanent en forme d'un anneau 12 est fixé sur le bord du support-8, au moyen d'un adhésif convenable.
De ce qui précède il ressort que le rotor 7 com prend deux induits qui, au point de vue électrique, fonctionnent de manières différentes. Le premier in duit, constitué par une bague conductrice 10, fonc tionne comme un rotor en court-circuit d'un moteur asynchrone et l'autre induit, formé par l'aimant per manent 12, fonctionne comme le rotor à polarités alternées d'un moteur synchrone. Au moment du démarrage du moteur, le champ tournant créé par l'inducteur entraîne en rotation, de la manière con nue, la bague métallique 10.
Au fur et à mesure que la vitesse du rotor 7 augmente, les courants induits dans la bague conductrice 10 diminuent. Au syn chronisme, les courants induits dans la bague 10 sont nuls et c'est alors l'aimant permanent 12 qui est entramé en rotation par le champ tournant. Il y a lieu de remarquer que la vitesse de synchronisme, c'est-à-dire la vitesse à laquelle l'aimant permanent entre en fonction, dépend uniquement de la fréquence du courant d'alimentation et du nombre de paires de pôles de l'aimant permanent 12.
Si, comme dans le cas de la fig. lb l'aimant permanent n'a qu'une seule paire de pôles, et si la fréquence du courant d'alimentation est de 50 Hz, la vitesse de synchro nisme sera de 3000 t/min. Il est évident, toutefois, que l'anneau aimanté 12 peut avoir un nombre de paires de pôles supérieur, de sorte que la vitesse de synchronisme peut être réduite en proportion.
Les fig. 2a, 2b et 3a, 3b et 3c montrent des va riantes du rotor décrit. Dans l'exemple de la fig. 2a, sur la face extérieure du support 8 sont forcées des bagues conductrices 10, par exemple, en cuivre ou en fer doux (trois dans le cas de la fig. 2a), accolées l'une à l'autre et maintenues contre un épaulement 8' du support 8.
Un aimant permanent en forme d'an neau 12 est également forcé sur le support 8, con tre les bagues 10, et, afin de maintenir fermement l'ensemble des bagues conductrices et de l'aimant permanent, le bord 8" du support est refoulé sur l'ensemble, après le montage ainsi qu'il est claire ment indiqué à la fig. 2a.
Les trois bagues métalli ques 10 peuvent être séparées entre elles par une mince couche de vernis isolant, mais en général la couche d'oxyde qui se forme sur les faces de ces bagues suffit à produire un isolement électrique sa tisfaisant, afin de réduire les courants parasites dans les bagues.
Dans l'exemple de la fig. 3a, le rotor 7 comprend deux aimants permanents en forme d'anneau, 12 et 12a respectivement, intercalés entre les bagues con ductrices 10. Les deux anneaux 12 et 12a peuvent être montés de manière que leurs pôles de même nom soient alignés sur une même génératrice du ro tor, ou bien de manière que leurs pôles de même nom soient décalés entre eux. Dans le cas de la fig. 3b l'aimant permanent 12 est fixé sur le bord du support 8, au moyen d'un adhésif convenable comme dans le cas de la fig. 1a.
Dans l'exemple de la fig. 3c, l'aimant permanent 12 est forcé sur une bague conductrice 10a, dont le dia mètre extérieur est inférieur à celui des bagues con ductrices 10, la bague 10a étant forcée à son tour sur le support 8- Les fig. 4a et 4b montrent une autre variante du rotor du moteur représenté. Ici l'aimant permanent 12 est formé d'un anneau qui est forcé sur les ba gues conductrices 10. Ainsi qu'il est indiqué à la fig. 4b, l'aimant permanent présente deux paires de pôles N - S.
Dans les exemples selon les fig. <I>2a, 3b, 3c</I> dé crits ci-dessus, la partie du rotor qui fonctionne com me un induit asynchrone, est constituée de bagues métalliques accolées, séparées par une mince couche isolante. Dans des cas particuliers, afin d'améliorer le facteur de puissance du moteur, on peut consti tuer cette partie par un paquet de tôles magnétiques minces. Les fig. 6a et 6b montrent le rotor de cette forme d'exécution. Sur le support 8 est forcé un pa quet feuilleté 13, dont les tôles sont assemblées au moyen de boulons 14 en cuivre ou en aluminium.
Sur le même support est ensuite monté l'aimant per manent 12, en forme de bague, qui peut avoir une seule paire ou plusieurs paires de pôles, ainsi qu'il a été dit plus haut.
Les fig. 5a et 5b montrent une variante du rotor dans laquelle un moyeu en matière non magnétique 22 présente un rebord 23 contre lequel est collée une bague aimantée 26 qui est ainsi séparée magnétique- ment d'un empilage de bagues de fer doux 24 alter nant avec des bagues d'acier trempé 25 réparties dans cet exemple à raison d'une sur trois.
Dans tous ces exemples, les bagues magnétiques sont faites en matière à courbe d'hystérésis étroite et à courants de Foucault presque nuls, puis aimantées. Ces bagues magnétiques peuvent être par exemple en ferrite à très bonne perméabilité, par exemple en Ferroxdure (marque déposée).
Il convient enfin de remarquer que, bien que les exemples précédents se rapportent à un moteur syn chrone à autodémarrage alimenté par un courant monophasé, le même rotor pourrait tout aussi bien être monté dans un stator biphasé, triphasé ou, en général, polyphasé.
Self-starting synchronous motor In many electrical applications we are dealing with devices which must be driven at a perfectly constant speed. This is the case, for example, with the countless devices used in technical horology, in which the motors are time bases, or record players., Mechanisms for driving a tape or a magnetic wire in sound recording and reproducing apparatus, and many other such devices.
It is therefore important that the electric motors which control these devices run at a constant speed.
Several solutions are already known for keeping the speed of an electric motor constant, whether it is supplied with direct current or with alternating current.
However, most of the known solutions are not applicable to small electric motors, because of the constructive complications and the often excessive bulk they entail. On the other hand, the use of synchronous motors, which would satisfactorily ensure constant rotation, has the disadvantage of requiring auxiliary devices for starting the motor, which results in an increase in the cost of return and the size of the motor.
In order to eliminate these auxiliary devices, an asynchronous-synchronized motor has already been proposed, supplied by a two-phase or three-phase current, with armature reluctance variation. In this motor, the rotor is formed by a metal cylinder carrying pole-shaped projections. When the motor is started, the metal cylinder forms a short-circuited rotor and is driven in rotation under the action of the rotating field generated by the inductor.
At synchronism, the protrusions of the rotor act as magnetic poles, so that the rotor rotates at synchronous speed. This motor, however, has the drawback of a very large air gap which results in excessive bulk, low power factor and very low efficiency.
The object of the present invention is to provide a self-starting synchronous motor which is free from the aforementioned drawbacks. This motor comprises a rotor fitted with at least one conductive ring operating during start-up as a short-circuited lead of an asynchronous motor and at least one magnetic member, intended to ensure the driving of the motor. rotor at synchronous speed,
the rotor being housed in a stator arranged to produce a rotating field. This motor is characterized in that said magnetic member is constituted by a ring forming a permanent magnet, made of material with almost zero eddy current and hysteresis losses and mounted on a hub of non-magnetic material on which is mounted co- axially said conductive ring.
The appended drawing represents, by way of example, some embodiments of the engine according to the invention.
Fig. 1 shows a plan view of a motor supplied by a single-phase current.
Figs. 1a and 1b respectively show an elevational view in partial section and a front view of the rotor of the motor of FIG. 1.
Figs. <I> 2a </I> and <I> 2b </I> respectively show an elevational view with partial section and a front view of a variant of the rotor of the motor of FIG. 1. Figs. 3a, 3b and 3c are elevational views, with partial sections of three variants of the rotor of FIGS. <I> 2a </I> and <I> 2b. </I>
Figs. 4a and 4b respectively show an elevational view in partial section and a front view of another variant of the rotor of the motor of FIG. 1.
Figs. <I> 5a </I> and 5b are figures similar to FIGS. <I> 4a </I> and <I> 4b, </I> showing another variant of the rotor of the motor of FIG. 1.
Figs. 6a and 6b are figures similar to FIGS. <I> 4a </I> and <I> 4b, </I> showing another variant of the rotor of the motor of FIG. 1.
Referring to fig. 1, it can be seen that the motor shown is constituted by a stator core 1 in the form of C, formed of thin magnetic sheets assembled by bolts 5. On one side of the core 1 is mounted the inductor winding, consisting of a coil 2 , which is supplied by a single phase current.
The stator core 1 is provided with two pairs of pole pieces 3, 3 'and 4, 4' respectively, two by two opposite between which is mounted, and can rotate, a rotor 7. On two diametrically opposed pole pieces belonging to two different poles, that is to say on the pole pieces 3 'and 4 in the case of FIG. 1, are mounted rings 6 and 6 'respectively, of good conductive metal, but not magnetic, for example copper or brass.
This arrangement, already known, makes it possible to create a rotating field between the pole pieces of the stator core, to drive the rotor 7. Indeed,
the alternating magnetic flux generated in the stator core 1 by the coil 2 produces in these rings 6 and 6 'induced currents offset by 90o with respect to the supply current and these currents in turn produce an alternating magnetic flux offset by 90.1 with respect to the inducing magnetic flux, so that between the two pairs of opposite pole pieces 4 and 3 ',
3 and 4 'we obtain two alternating magnetic fluxes, offset by 900 in time and space, which consequently form, as we know, a rotating field.
The rotor 7, which will be described in more detail hereinafter, is constructed so that it can function as a short-circuited rotor when starting the motor and as a rotor of a synchronous motor when it reaches the speed of. synchronism.
Referring to Figs. 1a and lb, the rotor is constituted by a cylindrical support 8, in the form of a pulley, having a hub 9 intended for mounting on a shaft, not shown. In the support 8 are provided holes 11, which serve to lighten the construction. The cylindrical support 8 is preferably formed from a light metal, for example aluminum, but it could equally well be formed from a non-metallic material, such as a molded synthetic material, having sufficient mechanical strength.
On the outer face of the support 8 is forced a conductive ring 10, for example made of copper or soft iron, held against the shoulders 8 'and 8 "of the support 8. A permanent magnet in the form of a ring 12 is fixed on the edge of the backing-8, using a suitable adhesive.
From the foregoing it emerges that the rotor 7 com takes two armatures which, from the electrical point of view, operate in different ways. The first result, formed by a conductive ring 10, functions as a short-circuited rotor of an asynchronous motor and the other induced, formed by the permanent magnet 12, functions as the rotor with alternating polarities of. a synchronous motor. When the engine is started, the rotating field created by the inductor drives the metal ring 10 in rotation, in the known manner.
As the speed of the rotor 7 increases, the currents induced in the conductive ring 10 decrease. In synchronicity, the currents induced in the ring 10 are zero and it is then the permanent magnet 12 which is rotated by the rotating field. It should be noted that the speed of synchronism, i.e. the speed at which the permanent magnet comes into operation, depends only on the frequency of the supply current and the number of pole pairs of the 'permanent magnet 12.
If, as in the case of fig. lb the permanent magnet has only one pair of poles, and if the supply current frequency is 50 Hz, the synchronization speed will be 3000 rpm. It is obvious, however, that the ring magnet 12 can have a higher number of pole pairs, so that the speed of synchronism can be reduced in proportion.
Figs. 2a, 2b and 3a, 3b and 3c show variations of the rotor described. In the example of FIG. 2a, on the outer face of the support 8 are forced conductive rings 10, for example, made of copper or soft iron (three in the case of FIG. 2a), contiguous to one another and held against a shoulder. 8 'of support 8.
A ring-shaped permanent magnet 12 is also forced onto the holder 8, against the rings 10, and, in order to firmly hold the set of the conductive rings and the permanent magnet, the edge 8 "of the holder is forced onto the assembly, after assembly as clearly indicated in Fig. 2a.
The three metal rings 10 can be separated from each other by a thin layer of insulating varnish, but in general the oxide layer which forms on the faces of these rings is sufficient to produce satisfactory electrical insulation, in order to reduce the currents. parasites in the rings.
In the example of FIG. 3a, the rotor 7 comprises two ring-shaped permanent magnets, 12 and 12a respectively, interposed between the conductive rings 10. The two rings 12 and 12a can be mounted so that their poles of the same name are aligned on the same generator of the ro tor, or so that their poles of the same name are shifted between them. In the case of fig. 3b the permanent magnet 12 is fixed to the edge of the support 8, by means of a suitable adhesive as in the case of FIG. 1a.
In the example of FIG. 3c, the permanent magnet 12 is forced on a conductive ring 10a, the outer diameter of which is smaller than that of the conductive rings 10, the ring 10a being forced in turn on the support 8- Figs. 4a and 4b show another variant of the rotor of the motor shown. Here the permanent magnet 12 is formed of a ring which is forced onto the conductive bars 10. As indicated in FIG. 4b, the permanent magnet has two pairs of N - S poles.
In the examples according to FIGS. <I> 2a, 3b, 3c </I> described above, the part of the rotor which functions as an asynchronous armature, consists of contiguous metal rings, separated by a thin insulating layer. In special cases, in order to improve the power factor of the motor, this part can be constructed by a bundle of thin magnetic sheets. Figs. 6a and 6b show the rotor of this embodiment. On the support 8 is forced a laminated package 13, the sheets of which are assembled by means of bolts 14 made of copper or aluminum.
On the same support is then mounted the permanent magnet 12, in the form of a ring, which may have a single pair or several pairs of poles, as has been said above.
Figs. 5a and 5b show a variant of the rotor in which a hub of non-magnetic material 22 has a flange 23 against which is glued a magnetic ring 26 which is thus separated magnetically from a stack of soft iron rings 24 alternating with hardened steel rings 25 distributed in this example at a rate of one in three.
In all of these examples, the magnetic rings are made of a material with a narrow hysteresis curve and almost zero eddy currents, and then magnetized. These magnetic rings may for example be made of ferrite with very good permeability, for example of Ferroxdide (registered trademark).
Finally, it should be noted that, although the preceding examples relate to a self-starting synchronous motor supplied by a single-phase current, the same rotor could just as well be mounted in a two-phase, three-phase or, in general, a polyphase stator.