Moteur électrique
La présente invention a pour objet un moteur électrique dont les enroulements sont connectées en étoile, le moteur étant destiné a assurer un meilleur usage des enroulements et présentant une construction plus simple que les moteurs connus. Dans un tel moteur les enroulements connectées en étoile peuvent faire partie du rotor et tourner dans un entrefer d'air entre un aimant permanent et un trajet de retour magnétique.
Dans les moteurs à courants continus décrits dans le brevet
USA No 2 513 410, un rotor léger sans matériau magnétique, mais comprenant un groupe d'enroulements connectés bout à bout, tourne de façon que les enroulements passent à travers un entrefer d'air entre un aimant permanent fixe et une enveloppe d'acier doux qui constitue le trajet de retour magnétique. L'aimant est concentrique avec les enroulements et polarisé de façon à présenter des pôles nord et sud diamétralement opposés, et les enroulements sont divisés en sept segments occupant chacun 1/7 de l'espace périphérique total autour du rotor. Chaque jonction commune entre les enroulements adjacents est connectée à une lame de collecteur et une seule paire de balais envoie le courant en des points diamétralement opposés sur le collecteur.
A tout instant, le courant se divise dans les enroulements de façon que trois des enroulements portent environ la moitié du courant et trois autres enroulements approximativement l'autre moitié du courant. Le septième enroulement est court-circuité et ne conduit par conséquent aucun courant utile. Quand le rotor tourne, les sept enroulements sont commutés successivement de manière que sur un tour complet du rotor chaque enroulement soit court-circuité pendant 1/, de tour, ce qui revient à dire que 1/7 du fil total est perdu, ce qui ne signifie pas que le fil perdu peut être éliminé puisque l'enroulement particulier qui est court-circuité change à chaque instant. Le court-circuitage d'un des enroulements qui conduisait précédemment le courant crée une mauvaise condition pour la commutation. Un arc se produit normalement et la surface de contact des balais est quelque peu réduite.
Avec sept enroulements, I'arc peut être maintenu dans des limites admissibles, plus favorables que celles qui seraient obtenues avec seulement trois ou cinq enroulements, et la perte effective du matériau constituant les enroulements est inférieure pour sept enroulements que pour trois ou cinq. Ces deux facteurs peuvent être réduits encore en utilisant un plus grand nombre d'enroulements, mais le désavantage de l'augmentation du nombre des enroulements a plus d'influence que toute augmentation de l'efficacité puisqu'il faut alors plus de lames au collecteur et que chaque enroulement doit être connecté à deux de ces lames.
Le but de l'invention est de fournir un moteur ne comportant que trois enroulements connectés en étoile. Il en résulte qu'on ne peut jamais rencontrer une condition dans laquelle un des enroulements est court-circuité et que l'impédance totale du moteur n'est jamais inférieure à une fois et demie l'impédance de chacun des enroulements. Un peut le comparer avec le moteur du brevet mentionné qui, avec trois enroulements, présenterait une impédance qui, la plupart du temps, serait la moitié de l'impédance de chacun des enroulements.
La plus forte impédance permise par les enroulements en étoile du moteur envisagé maintenant réduit le courant et améliore la commutation pour cette seule raison. En outre, avec trois enroulements seulement et par conséquent trois lames de collecteur seulement, il y a moins de connexions à faire à ces lames, ce qui signifie que le moteur est plus sûr par suite de la simplicité de sa construction.
De plus, comme chaque enroulement porte soit la moitié soit la totalité du courant à presque tous les instants, il est pratiquement toujours utilisé et il n'y a aucune perte de fil en ce qui concerne l'utilisation. Chaque borne est aussi presque toujours parcourue par un courant et ainsi presque toujours utilisée. Cela signifie, par comparaison avec le moteur à sept enroulements du brevet cité, qu'avec le moteur à trois enroulements en étoile, la quantité de cuivre utilisée est accrue de 14% environ. Quatre connexions seulement doivent être faites aux extrémités des enroulements contre quatorze connexions dans le cas du moteur à sept enroulements, et la machine à enrouler doit fonctionner deux fois seulement pour chaque rotor contre six fois pour le rotor connu.
Le moteur selon l'invention peut être muni de balais qui ont non seulement un angle de contact plus grand avec le collecteur, mais qui présentent aussi une plus grande surface de contact. Cela réduit la résistance des balais et leur densité de courant et augmente par conséquent la vie des balais qui constituent les parties du moteur les plus sujettes à l'usure.
Le dessin annexé représente un moteur connu et, à titre d'exemple, une forme d'exécution du moteur selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe de cette forme d'exécution.
La fig. 2 est le schéma du moteur de la fig. 1.
La fig. 3 est le schéma du moteur connu avec des enroulements connectés en série.
La fig. 4 montre les connexions des enroulements du moteur de la fig. 1
La fig. 5 montre une partie du périmètre des enroulements de la fig. 4, et
la fig. 6 montre la disposition des balais du moteur de la fig. 1.
Le moteur électrique représenté à la fig. 1 comprend un rotor 11 comprenant un enroulement 12 qui tourne autour d'un aimant permanent fixe 13. L'aimant 13 est supporté par un plateau 14 au moyen d'un noyau d'assemblage comprenant un tube 16 comportant une extrémité filetée 17 et portant une bride annulaire 18 à son autre extrémité. L'extrémité filetée engage un second tube 19. En vissant le tube 16 dans le tube 19, le bord 21 d'une ouverture ménagée dans le plateau est recouvert. Le tube intérieur 16 comporte deux paliers de bronze poreux 22, 23. Une mèche d'amenée d'huile 24 est disposée entre les paliers 22, 23 ainsi qu'un tube 26 qui supporte et sépare les paliers.
Les paliers 22, 23 portent un arbre de rotor 27 portant un pignon 28 à l'une de ses extrémités qui permet de coupler à rotation l'arbre 27 à un autre appareil. L'arbre 27 constitue une partie du rotor 1 1 et supporte des enroulements 12 au moyen d'une cage creuse 29 dont une partie 31 est cylindrique et coaxiale avec l'aimant 13. La cage 29 présente une ouverture centrale dont le bord est maintenu entre une pièce 32 en matière plastique et une rondelle 33, ces deux éléments étant montés rigidement sur un moyeu 34 de façon que le moyeu, la cage 29 et les enroulements 12 tournent d'une seule pièce. Le moyeu, à son tour, est fixé rigidement à l'arbre 27 afin de le faire tourner.
Le moteur comprend un collecteur 36 qui comporte un support central isolant 37 et trois lames de commutation conductrices 38, 39 et 40 (seule la lame 38 étant visible à la fig. 1). Chaque lame porte des bornes, celle fixée à la lame 38 étant désignée par la référence 42.
Les connexions électriques du moteur sont représentées schématiquement à la fig. 2. L'enroulement 12 est divisé en trois enroulements égaux 12a, 12b, 12c. Chaque enroulement comporte une extrémité connectée à une lame du collecteur, l'enroulement 12a à la lame 38,1'enroulement 12b à la lame 39 et l'enroulement 12c à la lame 40. L'autre extrémité de chacun des trois enroulements est connectée à une jonction commune 43.
Deux balais 44 et 46 sont en contact avec les lames 38 à 40 et sont connectés à une batterie 47. Les enroulements 12a à 12c tournent et les balais 44, 46 restent fixes. Le balai 44 est représenté à l'instant où il est en contact avec les lames 38 et 39, mais il entre successivement en contact avec la lame 39, les lames 39 et 40, la lame 40, les lames 40 et 38, la lame 38 et à nouveau les lames 38 et 39. De même, le balai 46, qui est représenté en contact avec la lame 40, engage tour à tour chaque lame et chaque paire de lames.
Dans la position relative des balais et des lames du collecteur représentée à la fig. 2, le courant de la batterie 47 s'écoule dans un sens à travers les enroulements 12a et 12b et la jonction commune 43, et en sens opposé dans l'enroulement 12c.
La moitié du courant s'écoule à travers chacun des enroulements 12a, 12b, alors que le courant total s'écoule dans l'enroulement 12c. Les lames du collecteur 38 à 40 s'étendent chacune sur un angle légèrement inférieur à 1200. De préférence, l'angle de contact des balais 44 et 46 est d'environ 600C.
En pratique, l'angle inclus minimal des balais est d'environ 45 et l'angle normal de 55 à 600. L'angle maximal des balais doit être choisi à une valeur telle qu'elle ne permet pas à deux balais de toucher deux lames à la fois. Cette limitation restreint la dimension angulaire maximale des balais 44 et 46 à la valeur de 60 mentionnée. Avec ces angles des lames du collecteur et des balais, il n'existe qu'un très court intervalle de temps au cours du fonctionnement du moteur pour lequel le courant ne s'écoule pas dans les trois enroulements 12a à 12c. Il n'existe aucun instant où les balais sont connectés directement les uns aux autres par une seule lame du collecteur, ce qui constituerait un court-circuit direct entre les bornes de la batterie 47.
Le schéma de la fig. 2 peut être comparé avec celui de la fig. 3 pour illustrer la différence entre le moteur décrit et celui faisant l'objet du brevet cité. Ce dernier moteur comprend sept enroulements 48 à 54. Ces enroulements sont tous connectés en série en un circuit fermé, ce qui donne sept jonctions communes 56 à 62 entre les paires adjacentes d'enroulements. Ces jonctions communes sont connectées respectivement à sept lames de collecteur 64 à 70 dont chacune forme un angle quelque peu inférieur à 51o. Dans la pratique, l'angle de chaque lame est d'environ 450. Deux balais 72, 73 sont connectés à une batterie 74 qui fournit le courant au moteur.
On peut voir qu'à certains instants, un des balais peut enjamber l'entrefer entre deux lames adjacentes du collecteur, comme représenté pour les lames 66 et 67, ce qui court-circuite l'enroulement 51. Comme chaque enroulement contient '/7 de la quantité de fil totale, le court-circuitage d'un enroulement retire à cette partie du fil tout fonctionnement utile pendant tout le temps que dure le court-circuit. En outre, l'établissement et la rupture d'un court-circuit total pour chacun des sept enroulements successivement produit un arc important au niveau des balais, cet arc étant une des causes majeures de l'usure des balais et du collecteur. Il existe d'autres causes d'usure du collecteur, notamment l'impact mécanique de chaque balai, chaque fois qu'il heurte une nouvelle lame du collecteur après avoir passé en travers de l'entrefer entre deux lames.
Pour minimiser la perte d'enroulement effectif, l'angle de contact ou largeur angulaire effective de chaque balai 72, 73 ne doit pas dépasser 51o et est de préférence de 450. Cet angle est notablement inférieur à la largeur angulaire de 55 à 600 des balais du moteur de la fig. 2, ce qui signifie que les balais de ce moteur présentent une surface de contact notablement supérieure et supportent par conséquent une densité de courant très inférieure comparativement aux balais du moteur connu de la fig. 3. L'usure des balais et des lames du collecteur est ainsi plus faible et, ce qui est peut-être plus important, une réduction de l'usure est due aussi au fait que les enroulements du moteur de la fig. 2 ne sont à aucun instant complètement court-circuités tandis que ceux du moteur de la fig. 3 le sont.
Le fait que les balais du moteur de la fig. 2 rencontrent seulement trois entrefers entre les lames du collecteur au lieu de sept à chaque tour du rotor limite encore l'usure.
Dans les enroulements 12a à 12c du moteur décrit, une connexion est établie d'abord à la borne 42 (fig. 4). L'enroulement progresse alors le long d'une section 76 et diagonalement à travers la partie cylindrique 31 de la cage 29 (fig. 1).
Le trajet diagonal 77 est visible aussi à la fig. 5 qui représente une vue développée d'une section de la partie cylindrique 31 de la cage creuse 29. A l'autre extrémité de la section cylindrique, le fil suit un trajet 78 autour d'une section tubulaire 79 de la cage (fig. 1) et un trajet 81 conduisant à une autre section cylindrique 82 pratiquement diamétralement opposée à la section 77. Ensuite, le fil snit un trajet 83, passe au-delà de la borne 42 et le long de la section initiale 76, mais légèrement déplacé dans le sens lévogyre. On voit à la fig. 5 qu'il se forme une succession de segments de fil disposés diagonalement en partant avec le segment le long du trajet 77 de la partie cylindrique 31 de la cage, en enroulant le fil autour de la cage et en déplaçant chaque spire successive suffisamment pour qu'elle se place le long de la spire précédente.
La longueur finale du fil dans le premier enroulement suit le trajet 84 (fig. 4 et 5) et est déplacé d'environ 120 du trajet 77. La dernière section du premier enroulement est indiquée par la référence 85 et est laissée libre pour la connexion qui doit être faite aux sections correspondantes des autres enroulements pour former la jonction commune 43 représentée à la fig. 2.
Le premier enroulement, dont les parties efficaces se trouvent entre les trajets 77 et 84 et les trajets diamétralement opposés des fig. 4 et 5, est l'enroulement 12a de la fig. 2. Les deux autres enroulements, équivalents aux enroulements 12b et 12c de la fig. 2, sont formés de façon similaire en fixant leur extrémité, respectivement, aux bornes 86 et 87 et en les enroulant de la même manière sur la cage 29.
La fig. 6 montre la disposition des porte-balais et des balais du moteur. Ces éléments sont montés sur un plateau isolant 88 fixé par des boulons 89 à un écran ferromagnétique doux cylindrique 90 qui forme une partie du trajet de retour magnétique pour le champ de l'aimant 13 (fig. 1). Le plateau 88 présente deux rainures 91 et 92 dans lesquelles des conducteurs extrêmes 93 et 94 sont placés. Le conducteur 93 est fixé à une borne 95 et le conducteur 94 est fixé à une borne semblable 96. La borne 95 est fixée par une vis à un plateau arqué 97, et la borne 96 est vissée de même à un plateau arqué 98.
Le plateau 97 est fixé au plateau isolant 88 par une vis 99 et le plateau 98 est fixé au plateau 88 par une vis 100.
L'ensemble des balais lui-même comprend un ressort conducteur 101 soudé à une extrémité du plateau 97 et qui porte à son autre extrémité un balai 102 serré dans un portebalai 103 en forme d'U de manière à maintenir le balai fermement contre la surface des lames 38 à 40 du collecteur. Un balai semblable 104 est maintenu dans un porte-balai 105 en forme d'U porté par un ressort conducteur 106 soudé au plateau 98. Les balais 102 et 104 ont une largeur supérieure à la largeur normale, faisant un angle de contact avec la surface des lames du collecteur d'environ 55 à 600.
Comme pour tous les moteurs à collecteurs, le fonctionnement du moteur décrit dépend de l'action réciproque des champs magnétiques du rotor et du stator. Le champ magnétique du stator est indiqué à la fig. 4 par les lettres N et S qui montrent que la partie supérieure des enroulements est dans un champ nord et la partie inférieure dans un champ sud.
Comme dans le moteur décrit dans le brevet cité, le champ magnétique du stator est dirigé radialement vers l'extérieur et passe à travers les sections diagonales des enroulements enroulés en travers de la partie cylindrique 31 de la cage 29 (fig. 1). Les lames de collecteur 38 à 40 sont disposées par rapport aux enroulements de manière que dans toute position relative du rotor et du stator, le courant provenant de la batterie 47 (fig. 2) produise toujours un couple qui tend à faire tourner le rotor dans le sens imposé par le sens du courant.
La commutation du moteur décrit est telle que l'enroulement du courant dans les enroulements 12a à 12c (fig. 2) change de façon répétée en quatre stades. Dans la position représentée à la fig. 2, par exemple, l'enroulement 12c porte un courant dans un sens et les enroulements 12a et 12b portent chacun la moitié du courant dans le sens inverse. A un instant plus tard, les enroulements 12c et 12b portent chacun la moitié du courant dans un sens et l'enroulement 12a porte tout le courant dans le sens opposé. Un instant plus tard encore, l'enroulement 12b porte tout le courant dans un sens et les enroulements 12a et 12c portent chacun la moitié du courant dans le sens opposé. Dans la condition finale, qui se produit un instant plus tard encore, les enroulements 12a et 12b portent ensemble tout le courant dans un sens et l'enroulement 12c tout le courant dans le sens opposé.
Ainsi, la variation du courant à travers chaque enroulement quand ce dernier passe dans les quatre conditions indiquées ci-dessus se fait du courant total à la moitié du courant dans un sens, de la moitié du courant dans le sens opposé au courant total dans le sens opposé, puis revient à l'état initial par les mêmes stades en ordre inverse. Dans cette succession d'opération, et particulièrement si la largeur angulaire des balais 44 et 46 est de 60" et la largeur angulaire de chacune des lames 38 à 40 du collecteur est aussi proche que possible de 1200, il n'existe pratiquement aucun instant pendant lequel l'un quelconque des enroulements 12a à 12c ne porte pas de courant, sauf pour les brefs intervalles où les petits espaces entre les lames sont disposés juste sur le bord des balais.