WO2014161911A1 - Moteur electrique a faible couple de court-circuit, dispositif de motorisation a plusieurs moteurs et procede de fabrication d'un tel moteur - Google Patents

Moteur electrique a faible couple de court-circuit, dispositif de motorisation a plusieurs moteurs et procede de fabrication d'un tel moteur Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a short circuit low torque electric motor particularly encompass ⁇ cient to use in a MOTORISA ⁇ device with several motors driving the same element.
  • a magnet motor generally comprises a rotor provided with magnets and a stator formed of a bundle of plates surrounded by electrical circuits in coils forming electrical pha ⁇ its for controlling the motor.
  • Some motorization devices include a first motor and a second motor that are connected to the same element to be able to both drive this element independently of one another.
  • the rotors of the two motors can for this purpose be connected to the same shaft.
  • the second ⁇ mo tor is used only in the event of failure of the first motor.
  • the motors must therefore be dimensioned to be able to move the element alone, taking into account not only the external stresses exerted on the element but also of the resistant torque that would generate a faulty engine.
  • the engines must be suscepti ⁇ ble to produce greater torque, which increases their cost, their size and mass.
  • An object of the invention is to propose a magnet motor having a low short-circuit torque between pha ⁇ ses.
  • a magnet motor comprising a stator formed of a bundle of sheets provided with coils for forming phases and a rotor provided with magnets distributed angularly around at least one section. of the rotor and pivotally received in a stator housing.
  • the stator housing has a length greater than a length of said rotor section and the rotor is provided with at least one ring of magnetic material which adjoins said section and is received in the stator housing.
  • the ring of magnetic material increases the inductance of the motor, which reduces the maximum short-circuit torque.
  • the arrangement of the invention is extremely advantageous because the short-circuit torque is obtained without modification of the stator structure and therefore without modification of the industrial tool used. to its production. It is the same for the general structure of the rotor.
  • the motor of the invention is therefore not much more expensive to manufacture than a conventional engine.
  • the invention further relates to a controller comprising at least two motors, at least one of the aforementioned type, the two motors being connected to the same element to be moved.
  • the motor of the aforementioned type is used in nominal operating mode to drive the element to be moved.
  • the other motor is dimensioned mainly only as a function of the torque necessary for driving the element to be moved.
  • the motorization device of the invention is therefore lighter and less cumbersome overall than conventional multiple engine actuators.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a motor.
  • This method comprises the steps of manufacturing the stator, mounting the magnets on the rotor and mounted on the rotor a magnetic material ring, the stator and the ring having a selected length in func ⁇ a desired motor inductance and the ring having an outer surface selected according to a desired reluctance of the motor.
  • FIG. 1 is a diagrammatic view, in longitudinal section, of an engine according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view along the line II-II of this motor
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 a variant of the first embodiment
  • - Figure 4 is a view similar to Figure 1 of a motor according to a second embodiment realized ⁇
  • FIG. 5 is a view similar to Figure 1 of a motor according to the third embodiment realized ⁇ .
  • a motor according to the invention comprises a stator 1 formed, in a conventional manner, of a bundle of sheets provided with coils for forming pha ⁇ ses and a rotor 2 pivotally received in a housing 3 of the stator 1.
  • the rotor 2 is provided with magnets 4 distributed angularly around at least one section 5 of the rotor 2.
  • the overall structure of the magnet motor is known so that it will not be further detailed here.
  • the housing 3 of the stator 1 has a length L greater than a length 1 of said section 5 of the rotor 2.
  • the rotor 2 is provided with at least one ring 6 of magnetic material which abuts said section 5 and is received in the housing 3 of the stator 1.
  • the ring 6 is here made of iron or a magnetic alloy such as, for example a bonding al ⁇ comprising iron and silicon or iron, and ⁇ co balt.
  • the length L of the housing 3 of the stator 1 and the lon ⁇ LATIONS the of the ring 6 are determined to have an in ⁇ ductance adapted so that the motor has a short circuit of maximum torque as small as possible while having performance adapted to its future use.
  • the air gap between the ring 6 and the stator 1 is sen ⁇ sibly identical to the minimum air gap between the magnets of the rotor 2 and the stator 1.
  • the ring 6 thus allows an ⁇ ⁇ increase of the inductance with respect to an engine devoid of such a ring. Having an identical air gap, on the one hand, between the ring 6 and the stator 1 and, on the other hand, between the magnets and the stator 1 also facilitates the manufacture of the engine.
  • the rotor 2 includes only a portion 5 and the ring 6 is placed in the vicinity of one end of the section 5.
  • the ring 6 here has a smooth outer surface.
  • the smooth surface does not create a saliency effect.
  • the ring 6 has a toothed outer surface.
  • the ring 6 here has a cross section having a crenellated contour.
  • teeth of the ring 6 may have parallel flanks converging or diverging ⁇ lon the desired reluctance effect.
  • FIG 1 there is shown in dotted line a second motor to form a motorization tion device with two identical motors having rotors 2 severally ⁇ res of the same output shaft 7 connected to the element to MOVE ⁇ cer .
  • the motors are connected to a control unit 10, itself known, which is arranged so that in nominal operating mode only one of the motors is fed and drives the output shaft 7.
  • the rotor 2 comprises two sections 5 provided with magnets 4 and the ring 6 is mounted between the two sections 5.
  • the rotor 2 comprises two sections 5 provided with magnets 4 and a ring 6 is mounted between the two sections 5.
  • a second ring 6 of magnetic material is mounted at one end of one of the sections 5.
  • the arrangement of the rings or 6 of the rotor 2 is preferably ef ⁇ fectué so as to limit the risk of leakage magnetic magnets.
  • a space between the ring (s) 6 and the magnets is provided, in the longitudinal direction, a space between the ring (s) 6 and the magnets, this space being greater than the gap between the magnets and the stator.
  • the gap is equal to twice this gap.
  • the or each ring 6 is made in two coaxial annular portions, namely an outer part in my ⁇ magnetic terial and an inner portion in contact with the rotor 2, then, non-magnetic material. The thickness of the inner part is greater than the gap between the ⁇ ⁇ mants and the stator.
  • the motor of the first embodiment is manufactured according to the following method.
  • the manufacturing method according to the invention comprises the steps of:
  • the lengths L and 1 of the housing 3 of the stator 1 and of the ring 6 respectively are chosen as a function of a desired inductance of the motor.
  • the ring 6 has an outer surface choi ⁇ sie according to a desired reluctance of the motor.
  • the motorization device can understand more than two engines. Of these engines, only one part may be equipped with at least one ring 6, the others being lacking. In the latter case, the control unit is arranged in such a way that the motor or motors equipped with a ring are used in operating mode ⁇ nominal, other engines being used in case of failure.
  • the rotors of MOTORISA device ⁇ engines can be connected directly to the element to dépla- cer, or be directly connected to the same shaft, or be connected thereto by means of transmission of movement.
  • An engine may comprise more than two rings 6.

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Abstract

Moteur à aimants, comportant un stator (1) formé d'un paquet de tôles pourvu de bobines pour former des pha- ses et un rotor (2) pourvu d'aimants (4) répartis angulai- rement autour d'au moins un tronçon (5) du rotor et reçu à pivotement dans un logement (3) du stator. Le stator a une longueur supérieure à une longueur dudit tronçon du rotor et en ce que le rotor est pourvu d'au moins une bague (6) en matériau magnétique qui jouxte ledit tronçon et est reçu dans le logement du stator. Dispositif de motorisation comportant plusieurs mo- teurs et procédé de fabrication d'un tel moteur.

Description

MOTEUR ELECTRIQUE A FAIBLE COUPLE DE COURT-CIRCUIT, DISPOSITIF DE MOTORISATION A PLUSIEURS MOTEURS ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL MOTEUR
La présente invention concerne un moteur électrique à faible couple de court-circuit particulièrement intéres¬ sant pour une utilisation dans un dispositif de motorisa¬ tion à plusieurs moteurs entraînant un même élément.
Un moteur à aimants comprend généralement un rotor pourvu d'aimants et un stator formé d'un paquet de tôles entouré de circuits électriques en bobines formant des pha¬ ses électriques permettant le pilotage du moteur.
Certains dispositifs de motorisation comprennent un premier moteur et un deuxième moteur qui sont reliés à un même élément pour pouvoir entraîner tous deux cet élément indépendamment l'un de l'autre. Les rotors des deux moteurs peuvent à cette fin être reliés au même arbre.
En mode de fonctionnement nominal, seul le premier moteur est piloté pour entraîner l'élément, le deuxième mo¬ teur ne sert qu'en cas de défaillance du premier moteur.
Cette redondance apporte plus de sécurité dans le fonctionnement du dispositif de motorisation au détriment toutefois d'une masse relativement importante du dispositif de motorisation.
En outre, certaines pannes du moteur ou de son électronique de pilotage peuvent amener le moteur à exercer un effort de freinage. Les moteurs doivent donc être dimen- sionnés pour pouvoir compenser cet effort de freinage en¬ gendré par le moteur défaillant. En particulier, lorsque le moteur défaillant présente un court-circuit entre phases, l'entraînement de l'élément par l'autre moteur engendre la rotation du rotor du moteur défaillant, induisant dans les phases en court-circuit un courant qui ne peut être évacué et provoque l'apparition d'un couple résistant.
Les moteurs doivent donc être dimensionnés pour pouvoir déplacer seuls l'élément en tenant non seulement compte des sollicitations extérieures s' exerçant sur l'élément mais aussi du couple résistant qu'engendrerait un moteur défaillant. Les moteurs doivent donc être suscepti¬ bles de produire un couple plus important, ce qui augmente leur coût, leur encombrement et leur masse.
On rappelle que le couple de court-circuit maximal
CCc a pour valeur CCc = 3/2. K2/ (2p. (L-M) ) et apparaît à la vitesse V = R/ (p. (L-M) avec une pente p = 3/2.K2/R où K est le coefficient de couple phase/neutre, p est le nombre de paires de pôles, L est l'inductance du moteur, M est l'inductance mutuelle phase/neutre et R est la résistance phase/neutre .
Pour limiter ce couple, il est connu d'augmenter la résistance des bobines pour augmenter la vitesse de rota¬ tion du rotor à laquelle apparaît le couple maximal. Cette solution n'est donc envisageable que pour les moteurs tra¬ vaillant à faible vitesse. Ceci augmente en outre les per¬ tes par effet Joule, dégradant les performances du moteur et rendant nécessaire un refroidissement du moteur.
Un but de l'invention est de proposer un moteur à aimant ayant un faible couple de court-circuit entre pha¬ ses .
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un moteur à aimants, comportant un stator formé d'un paquet de tôles pourvu de bobines pour former des phases et un rotor pourvu d'aimants répartis angulairement autour d'au moins un tronçon du rotor et reçu à pivotement dans un logement du stator. Le logement du stator a une longueur supérieure à une longueur dudit tronçon du rotor et le rotor est pourvu d'au moins une bague en matériau magnétique qui jouxte ledit tronçon et est reçu dans le logement du stator.
Ainsi, la bague en matériau magnétique augmente l'inductance du moteur, ce qui permet de diminuer le couple maximal de court-circuit. L'agencement de l'invention est extrêmement avantageux car le faible couple de court- circuit est obtenu sans modification de la structure du stator et donc sans modification de l'outil industriel ser- vant à sa production. Il en est de même pour la structure générale du rotor. Le moteur de l'invention n'est donc pas beaucoup plus cher à fabriquer qu'un moteur classique.
L' invention concerne en outre un dispositif de mo- torisation comportant au moins deux moteurs dont au moins un du type précité, les deux moteurs étant reliés à un même élément à déplacer.
Le moteur du type précité est utilisé en mode de fonctionnement nominal pour entraîner l'élément à déplacer. En cas de court-circuit entre phases, le couple maximal de court-circuit étant faible, l'autre moteur n'est dimension- né principalement qu'en fonction du couple nécessaire pour l'entraînement de l'élément à déplacer. Le dispositif de motorisation de l'invention est donc moins lourd et moins encombrant globalement que les dispositifs de motorisation à plusieurs moteurs classiques.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel moteur. Ce procédé comprend les étapes de fabriquer le stator, de monter les aimants sur le rotor et de monter sur le rotor une bague en matériau magnétique, le stator et la bague ayant une longueur choisie en fonc¬ tion d'une inductance souhaitée du moteur et la bague ayant une surface extérieure choisie en fonction d'une réluctance souhaitée du moteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de 1 ' invention .
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un moteur selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe transversale, selon la ligne II-II, de ce moteur,
la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 d'une variante du premier mode de réalisation, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 d'un moteur selon un deuxième mode de réalisa¬ tion,
- la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 d'un moteur selon le troisième mode de réalisa¬ tion.
En référence aux figures, un moteur conforme à l'invention comprend un stator 1 formé, de façon classique, d'un paquet de tôles pourvu de bobines pour former des pha¬ ses et un rotor 2 reçu à pivotement dans un logement 3 du stator 1. Le rotor 2 est pourvu d'aimants 4 répartis angu- lairement autour d' au moins un tronçon 5 du rotor 2. La structure globale du moteur à aimants est connue de sorte qu'elle ne sera pas plus détaillée ici.
Conformément à l'invention, le logement 3 du stator 1 a une longueur L supérieure à une longueur 1 dudit tronçon 5 du rotor 2.
Le rotor 2 est pourvu d' au moins une bague 6 en ma- tériau magnétique qui jouxte ledit tronçon 5 et est reçu dans le logement 3 du stator 1. La bague 6 est ici en fer ou en un alliage magnétique tel que, par exemple, un al¬ liage comportant du fer et du silicium ou du fer et du co¬ balt .
La longueur L du logement 3 du stator 1 et la lon¬ gueur l' de la bague 6 sont déterminées pour avoir une in¬ ductance adaptée pour que le moteur ait un couple maximal de court-circuit le plus faible possible tout en ayant des performances adaptées à son utilisation future.
L'entrefer entre la bague 6 et le stator 1 est sen¬ siblement identique à l'entrefer minimal entre les aimants du rotor 2 et le stator 1. La bague 6 permet ainsi une aug¬ mentation de l'inductance par rapport à un moteur dépourvu d'une telle bague. Avoir un entrefer identique, d'une part, entre la bague 6 et le stator 1 et, d'autre part, entre les aimants et le stator 1 facilite également la fabrication du moteur .
En référence aux figures 1 et 2, et selon le pre¬ mier mode de réalisation, le rotor 2 ne comprend qu'un tronçon 5 et la bague 6 est placée au voisinage de l'une des extrémités du tronçon 5.
La bague 6 a ici une surface extérieure lisse. La surface lisse ne crée pas d'effet de saillance.
Dans la variante de la figure 3, la bague 6 a une surface extérieure dentée. La bague 6 a ici une section transversale ayant un contour crénelé.
La surface extérieure dentée permet de créer un ef¬ fet de réluctance susceptible d'engendrer un couple au moyen d'une commande adaptée du moteur. Ceci peut être utile dans certaines applications.
II va de soi que les dents de la bague 6 peuvent avoir des flancs parallèles, convergents ou divergents se¬ lon l'effet de réluctance souhaitée.
Sur la figure 1, on a représenté en trait pointillé un deuxième moteur pour former un dispositif de motorisa- tion à deux moteurs identiques ayant des rotors 2 solidai¬ res d'un même arbre de sortie 7 relié à l'élément à dépla¬ cer. Les moteurs sont reliés à une unité de commande 10, connue en elle-même, qui est agencée pour qu'en mode de fonctionnement nominal un seul des moteurs soit alimenté et entraîne l'arbre de sortie 7.
Les éléments identiques ou analogues à ceux précé¬ demment décrits porteront la même référence numérique dans la description qui suit des deuxième et troisième modes de réalisation .
En référence à la figure 4, et selon le deuxième mode de réalisation, le rotor 2 comprend deux tronçons 5 pourvus d' aimants 4 et la bague 6 est montée entre les deux tronçons 5.
En référence à la figure 5, et selon le troisième mode de réalisation, le rotor 2 comprend deux tronçons 5 pourvus d'aimants 4 et une bague 6 est montée entre les deux tronçons 5.
Une deuxième bague 6 en matériau magnétique est montée à une extrémité de l'un des tronçons 5.
Dans tous les modes de réalisations, l'agencement de la ou des bagues 6 sur le rotor 2 est de préférence ef¬ fectué de manière à limiter le risque de fuite magnétique au niveau des aimants. A cet effet, on prévoit, dans le sens longitudinal, un espace entre la ou les bagues 6 et les aimants, cet espace étant supérieur à l'entrefer entre les aimants et le stator. De préférence, l'entrefer est égal à deux fois cet entrefer. Alternativement ou cumulati- vement, la ou chaque bague 6 est réalisée en deux parties annulaires coaxiales, à savoir une partie extérieure en ma¬ tériau magnétique et une partie intérieure, en contact avec le rotor 2 donc, en matériau amagnétique. L'épaisseur de la partie intérieure est supérieure à l'entrefer entre les ai¬ mants et le stator.
Le moteur du premier mode de réalisation est fabriqué selon le procédé suivant.
Le procédé de fabrication selon l'invention comprend les étapes de :
- fabriquer le stator 1,
- monter les aimants 4 sur le tronçon 5 du rotor 2,
- monter sur le rotor 2 la bague 6 en matériau ma¬ gnétique .
Lors du procédé, les longueurs L et l' du logement 3 du stator 1 et de la bague 6 respectivement sont choisies en fonction d'une inductance souhaitée du moteur.
En outre, la bague 6 a une surface extérieure choi¬ sie en fonction d'une réluctance souhaitée du moteur.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux mo¬ des de réalisation décrits mais englobe toute variante en¬ trant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.
En particulier, le dispositif de motorisation peut comprendre plus de deux moteurs. Parmi ces moteurs, seule une partie peut être équipée d'au moins une bague 6, les autres en étant dépourvus. Dans ce dernier cas, l'unité de commande est agencée de telle manière que le ou les moteurs équipés d'une bague soient utilisés en mode de fonctionne¬ ment nominal, les autres moteurs étant utilisés en cas de défaillance .
Les rotors des moteurs du dispositif de motorisa¬ tion peuvent être reliés directement à l'élément à dépla- cer, ou être directement reliés à un même arbre, ou être reliés à ceux-ci par un moyen de transmission de mouvement.
Un moteur peut comprendre plus de deux bagues 6.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur à aimants, comportant un stator (1) formé d'un paquet de tôles pourvu de bobines pour former des pha- ses et un rotor (2) pourvu d'aimants (4) répartis angulai- rement autour d'au moins un tronçon (5) du rotor et reçu à pivotement dans un logement (3) du stator, caractérisé en ce que le stator a une longueur supérieure à une longueur dudit tronçon du rotor et en ce que le rotor est pourvu d'au moins une bague (6) en matériau magnétique qui jouxte ledit tronçon et est reçue dans le logement du stator, l'entrefer entre la bague et le stator étant sensiblement identique à l'entrefer minimal entre les aimants et le sta¬ tor .
2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la bague (6) a une surface extérieure lisse.
3. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la bague (6) a une surface extérieure dentée.
4. Moteur selon la revendication 1, dans lequel le rotor (2) comprend deux tronçons (5) pourvus d'aimants (4) et la bague (6) est montée entre les deux tronçons.
5. Moteur selon la revendication 4, dans lequel une deuxième bague (6) en matériau magnétique est montée à une extrémité de l'un des tronçons (5) .
6. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la bague (6) est en fer ou un alliage magnétique.
7. Moteur selon la revendication 1, comportant, dans le sens longitudinal, un espace amagnétique entre la bague (6) et les aimants (4), cet espace étant supérieur à un entrefer entre les aimants et le stator (1) .
8. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la bague (6) est réalisée en deux parties annulaires coaxia- les, à savoir une partie extérieure en matériau magnétique et une partie intérieure, en contact avec le rotor (2), en matériau amagnétique, la partie intérieure ayant une épais¬ seur supérieure à un entrefer entre les aimants (4) et le stator ( 1 ) .
9. Dispositif de motorisation comportant au moins deux moteurs dont au moins un selon l'une quelconque des revendications précédentes, les rotors (2) des moteurs étant reliés à un même élément à déplacer.
10. Dispositif selon la revendication 9, dans le¬ quel les rotors (2) des moteurs sont solidaires d'un même arbre .
11. Procédé de fabrication d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes de fabriquer le stator (1), de monter les aimants (4) sur le rotor (2) et de monter sur le rotor une bague (6) en matériau magnétique, le stator et la bague ayant une longueur choisie en fonction d'une inductance souhaitée du moteur et la bague ayant une surface extérieure choisie en fonction d'une réluctance souhaitée du moteur.
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