5.2 Présentation du moteur retenu
5.2.2 Plans mécaniques
Les plans mécaniques 3D présentés dans ce paragraphe proviennent de la société ERNEO, choisie pour la réalisation de ce prototype de moteur discoïde à bobinage dentaire. Ces vues permettent d’observer le moteur dans sa globalité, ainsi que les choix mécaniques réalisés. Ce moteur est composé d’un rotor d’aimants permanents alternés, et de deux stators identiques bobinés et du système de réduction des efforts de plaquage. Ce prototype laboratoire est présenté dans son ensemble sur la figure 5.7.
Cette vue comprenant tous les éléments du moteur permet de voir que la partie extérieure : la virole et les flasques gauche et droit (numérotés 1 et 2). La figure 5.8 présente cette même
CHAPITRE 5. Choix d’une solution technologique
FIGURE5.7 – Vue globale 3D du module triphasé du prototype laboratoire
vue dépourvue du flasque 1 et de la virole. On voit sur cette figure les 3 éléments magnétiques du moteur : les deux stators bobinés et le rotor d’aimants permanents. Le rotor d’aimants est lié mécaniquement à l’arbre par des cannelures permettant de le bloquer en rotation vis à vis de l’arbre et ainsi transmettre l’effort. Le rotor est alors libre en translation le long de l’axe de l’arbre. Le flasque 2 où est fixé le stator de droite est la pièce mécanique où est placé le système de compensation des efforts de plaquage présenté par la suite.
5.2. Présentation du moteur retenu
Afin de réaliser la rigidité mécanique et le bon positionnement des aimants sur le rotor, une solution mécanique a été choisie. Le rotor est présenté dans le paragraphe suivant.
5.2.2.1 Le rotor d’aimants permanents
Le disque rotorique est présenté sur l’ensemble des figures 5.9. La figure 5.9(a) présente le rotor complet. Il est composé d’aimants permanents alternés. Deux couches de friction en inox sont apposées sur les deux surfaces externes du rotor. Elles permettent de réduire la friction entre rotor et stators, de protéger les aimants et de rigidifier l’ensemble. Ces couches sont rectifiées afin qu’elles aient chacune une épaisseur de 0,1 mm et qu’elles soient planes.
(a) Vue globale du rotor (b) Vue sans la couche de friction en inox
FIGURE5.9 – Vues 3D du rotor du prototype laboratoire
Comme cela a été vu dans le chapitre 2, il faut apporter une grande précision aux posi-tionnements des différents éléments actifs dans les machines polyentrefers. Cette utilisation d’un grand nombre d’éléments magnétiques de petites tailles rend plus sensible la structure à l’impact des tolérances. Les performances peuvent être ainsi fortement dégradées si une différence sur la taille nominale entraine un positionnement différent, et donc un déphasage différent. La figure 5.9(b) présente le rotor sans la couche de friction. Sur cette vue, on observe une armature en inox de quatre branches. Ces branches sont d’une épaisseur d’un aimant et d’une largeur modifiable. Cette armature permet de positionner les aimants sur le rotor et donc de s’assurer que les quatre paquets d’aimants soient en phase. Elle permet donc de minimiser l’impact des tolérances sur la largeur des aimants et sur leur positionnement. La largeur de l’armature est rectifiée lors du montage après mesure des paquets d’aimants dans le but de positionner correctement chaque paquet.
Il est nécessaire de trouver un compromis entre le positionnement parfait de tous les aimants et la perte de performances due à l’utilisation d’un tel dispositif. Dans le cas présenté, 4 aimants sur 100 ne sont pas placés, on peut donc s’attendre à une dégradation au maximum de 4 % des performances électromagnétiques. Les aimants utilisés sont des aimants en NdFeB. Ils sont
CHAPITRE 5. Choix d’une solution technologique
annoncés pour une température maximum de 180◦C et une induction rémanente entre 1,27 et 1,33 T à 20◦C (entre 1,14 T et 1,2 T à 100◦C). Ils sont moins cassants que les technologies en SmCo, et peuvent permettre d’obtenir des inductions plus grandes. Leur désavantage est lié à la variation de l’induction rémanente en fonction de la température (l’induction rémanente utilisée pour les simulations de ce chapitre est fixée à 1,27 T).
Les photos suivantes montrent le rotor d’aimants permanents au moment de l’assemblage. On peut observer les 96 aimants permanents montés dans la structure amagnétique sur la figure 5.10(a) avant le collage de la couche en acier inoxydable amagnétique. La figure 5.10(b) présente le rotor complet. Les stators sont présentés dans le paragraphe suivant.
(a) Vue avant le collage de la couche de friction en inox (b) Vue après assemblage
FIGURE5.10 – Photos du rotor du prototype laboratoire
5.2.2.2 Les stators bobinés
Comme vu précédemment, le module a été prévu pour réaliser une machine triphasée par quartier. La vue d’un stator entier est présentée sur l’ensemble de figures 5.11. La figure 5.11(a) présente le stator dans sa globalité. Une couche de friction en inox est apposée par dessus le stator pour améliorer le coefficient de friction entre rotor et stators. Les dents bobinées sont placées sur un disque de culasse statorique, d’épaisseur 4 mm. Cette culasse, initialement dimensionnée à 1,4 mm d’épaisseur a été augmentée pour rigidifier le stator. L’induction dans ce disque de culasse est donc aussi diminuée. Le nombre de spires par encoche est de 5, et une dent sur deux est bobinée. La figure 5.11(b) présente le stator dans le plan perpendiculaire à l’axe de rotation, sans la couche de friction. On observe sur cette figure les six quartiers, correspondant aux trois phases réparties chacune en deux zones diamétralement opposées.
Dans ce moteur composé initialement de 50 paires d’aimants, il y a alors un angle de 3, 6◦ entre chaque dent. Seules les dents réalisant le déphasage de 2π3 sont plus larges et ne sont pas bobinées. Les angles entre chaque dent sont représentés sur la figure, ainsi que la répartition des phases. L’utilisation de six quartiers pour une machine triphasée permet de placer en opposition une même phase afin de ne pas créer un couple de flexion sur le disque.
5.2. Présentation du moteur retenu
(a) Vue globale du stator (b) Vue sans la couche de friction
FIGURE5.11 – Vues 3D du stator 1 du prototype laboratoire
Les tôles utilisées pour les stators sont en Fer-Silicium. Elles sont enroulées et d’épaisseur 0,35 mm. Les caractéristiques du constructeur annoncent environ une induction de 1,65 T à 5000 A/m et des pertes de 4,4 W/Kg à 1,5 T pour une fréquence de 50 Hz. Elles sont livrées enroulées comme présenté à la figure 5.12. Ces tores magnétiques sont alors usinés afin de réaliser les différentes dents, et rectifiés pour obtenir les bonnes dimensions sur la hauteur et la bonne planéité.
FIGURE5.12 – Tôles statoriques enroulées avant découpe
Une fois les deux stators bobinés, un surmoulage est prévu. Le surmoulage du bobinage permet de garantir une bonne conduction thermique afin de favoriser le refroidissement du moteur. Il permet aussi de rigidifier le stator. Les stators sont ensuite recouverts d’une couche de friction en inox (épaisseur finale de la couche de 0,1 mm). Les épaisseurs de colle par entrefer
CHAPITRE 5. Choix d’une solution technologique
(donc pour la couche de friction du rotor et du stator) sont estimées au maximum à 0,1 mm, ce qui prévoit un entrefer magnétique maximum de 0,3 mm.