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1. WO2020161669 - SYSTEME DE REFROIDISSEMENT DE LA BOBINE FIXE D'UN MOTEUR INDUCTIF

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SYSTEME DE REFROIDISSEMENT DE LA BOBINE FIXE D'UN MOTEUR INDUCTIF

Demande correspondante

La présente demande revendique la priorité de la demande antérieure Suisse N° CH 00136/19 déposée le 6 février 2019 au nom de M. Michel OLTRAMARE, le contenu de cette demande antérieure étant incorporé par référence dans son entier dans la présente demande.

Domaine technique

La présente invention concerne les moyens de refroidissement de la bobine fixe d'un moteur inductif.

La présente invention trouve par exemple une application dans le domaine des actionneurs de façon générale, et plus particulièrement pour les haut-parleurs et les pots vibrants utilisés pour les essais de fatigue. Ces applications ne sont bien entendu pas limitatives et d'autres applications sont possibles dans le cadre de la présente invention en faisant appel aux principes décrits dans la présente demande.

Technique antérieure

De nombreux brevets traitent de la réalisation de moteurs inductifs avec bobine fixe : US2621261 A, US4965839A, US5062140A, US5742696A, US6359996B1 , US6542617B1 ou encore US8009857B2. Ces brevets mettent en avant les propriétés magnétiques, électriques, mécaniques ou acoustiques de ce type de configuration. Néanmoins, peu de solutions sont proposées pour résoudre le problème de refroidissement de la bobine. Sur les moteurs inductifs, c'est pourtant une limite de fonctionnement majeure.

En effet, le courant circulant dans la bobine provoque son échauffement puis, par conduction et rayonnement, réchauffement de toutes les pièces du moteur. L'augmentation de la température provoque une modification de l'impédance, et donc une perturbation du courant, celui-ci étant déterminé par l'impédance. Ceci a pour conséquence une variation de toutes les caractéristiques du moteur notamment le champ magnétique généré par la bobine et la force développée par l'induit mobile. Dans le cas d'un haut-parleur, l'augmentation de la température de la membrane reliée à l'induit conduit à une variation de son module d'élasticité. Celle-ci va donc vibrer différemment selon son niveau d'échauffement. Ainsi, toutes les performances du moteur inductif, varient simultanément sous l'effet de la température, rendant son contrôle difficile. Dans le cas d'une réalisation sous forme de haut-parleur, ces éléments ont donc une importance et une influence fondamentales pour la qualité de restitution vibratoire du moteur et sonore du haut-parleur.

Sur les moteurs de haut-parleur les plus communément utilisés, la bobine, communément appelée "voicecoil", est mobile et fixée sur la membrane. Cette mobilité créé un mouvement relatif entre la bobine et l'air qui l'entoure, réalisant un refroidissement naturel sommaire. Elle empêche cependant tout refroidissement réellement efficace. Certains brevets proposent néanmoins certaines solutions GB1348535A, JPH03239099A, JPS5586288A,

JPS56161798A, JPS59216394A. Ces solutions ont cependant une incidence sur le rendement du moteur, les liquides en contact avec la bobine freinant son déplacement.

Dans l'événementiel, pour pallier les inconvénients liés à l'augmentation de la température tels que décrits ci-dessus, les colonnes d'enceintes contenant les hauts parleurs sont fréquemment doublées, une colonne fonctionnant pendant que sa jumelle est arrêtée. L'opérateur bascule ainsi d'une colonne à l'autre quand la température des haut-parleurs de l'une des colonnes atteint un niveau de fonctionnement pour lequel la qualité sonore est trop affectée. Le nombre de colonnes d'enceintes à transporter et à mettre en œuvre est ainsi doublé, ce qui augmente l'investissement matériel de sonorisation, et la facture de l'organisateur de l'événement.

Les problèmes d'échauffement sont enfin contraignants pour le choix du matériau des aimants : au-delà d'une certaine température, les aimants se démagnétisent et deviennent inutilisables. Ils ont donc une température maximum de fonctionnement qui doit être respectée. Globalement, plus un matériau possède une aimantation forte, plus sa température de fonctionnement est basse. Les moteurs inductifs actuels chauffant fortement, les matériaux utilisés pour réaliser les aimants ne sont pas les plus optimums en termes de magnétisme.

Exposé de l'invention

La présente invention permet de pallier l’ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus et propose notamment de réaliser le refroidissement de la bobine fixe d'un moteur inductif. L'application présentée ci-dessous est celle d'un actionneur motorisant un haut-parleur, mais l'invention peut être utilisée pour tous les actionneurs électromagnétiques, comme par exemple les pots vibrants, et d'autres applications.

Dans un mode d'exécution, le moteur, tel que défini en préambule des revendications, est caractérisé en ce qu’il possède une bobine fixe positionnée à l'extérieur du cylindre formé par l'induit, et des moyens pour la refroidir. Ces moyens exposés ci-dessous peuvent être appliqués séparément ou combinés les uns aux autres dans différents modes d'exécution illustratifs et non-limitatifs.

Dans des modes d'exécution, les aimants du moteur sont formés de matériau à haute densité énergétique et à faible température de fonctionnement. Par exemple, ces matériaux sont des alliages de neodyme, fer et bore Nd2Fei4B comme le N48H, ou le N50M ou d'autres matières équivalentes et appropriées.

Selon des modes de réalisation, un bol extérieur, dans lequel est placée la bobine, est muni d'une pluralité d'ailettes, augmentant les surfaces de contact avec le milieu extérieur. Les ailettes peuvent être formées directement sur le bol ou ajoutées. Elles peuvent être en acier, acier inoxidable, aluminium ou tout autre matériau ayant une bonne conductivité thermique.

Selon des modes de réalisation, le moteur peut être configuré pour permettre à une lame d'air d'évacuer l'air chaud autour de la bobine afin de la refroidir avec de l'air plus froid venant de l'extérieur.

Selon des modes de réalisation, le moteur peut comprendre des ouvertures entre l'espace d'air magnétique et le milieu extérieur, permettant à un flux d'air généré par effet cheminée de refroidir la bobine.

Selon des modes de réalisation, le moteur peut comprendre un ventilateur et une ou plusieurs ouvertures entre l'espace d'air magnétique et le milieu extérieur, créant une circulation d'air autour de la bobine et une diminution de température dans l'espace d'air magnétique, l'air venant de l'extérieur et suivant les géométries de la bobine par effet Coandâ, augmentant les échanges thermiques.

Selon des modes de réalisation, le moteur peut comprendre des ouvertures à sections variables entre le milieu extérieur, l'espace d'air magnétique et/ou le ventilateur, afin d'obtenir un refroidissement plus efficace de l'air circulant autour de la bobine.

Selon des modes de réalisation, le moteur comprend un circuit fluidique de refroidissement sur les faces extérieures du bol extérieur.

Selon des modes de réalisation, le circuit dans lequel circule un fluide caloporteur est réalisé autour du bol extérieur afin de refroidir celui-ci et donc la bobine.

Selon des modes de réalisation, un fluide caloporteur est placé directement autour de la bobine pour un refroidissement direct.

Selon des modes de réalisation, la bobine est constituée par l'enroulement d'un tube de faible diamètre. Un fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ce tube permet de le refroidir.

Selon des modes de réalisation, des caloducs sont montés dans le bol extérieur afin d'amplifier les échanges thermiques entre la bobine chaude à l'intérieur et le milieu extérieur froid.

Le refroidissement efficace du moteur permet l'utilisation d'aimants permanents plus puissants, et donc d'obtenir un moteur plus efficace.

Selon des modes de réalisation, l'invention concerne un dispositif ou un objet comprenant au moins un moteur inductif tel que décrit dans la présente demande.

Selon des modes de réalisation, le moteur est un haut-parleur ou un pot vibrant par exemple.

Selon des modes de réalisation le moteur comprend des ouvertures entre l'espace sous membrane, l'espace d'air magnétique et le milieu extérieur, permettant au flux d'air généré par la membrane oscillante de refroidir la bobine.

Selon des modes de réalisation, le moteur comprend une ou plusieurs valves entre le milieu extérieur et l'espace sous membrane, de façon à introduire de l'air frais venant du milieu extérieur.

Ces modes et d'autres modes d'exécution sont maintenant décrits en référence aux figures.

Description sommaire des dessins

La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description de plusieursmodes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 a représente une vue en coupe du moteur équipé d'ailettes axiales de refroidissement selon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 1 b représente une vue en coupe du moteur équipé d'ailettes radiales de refroidissement selon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 2a représente une vue en coupe du moteur configuré pour refroidir par effet cheminéeselon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 2b représente une vue en coupe du moteur configuré pour recevoir une lame d'air de refroidissement de la bobine, l'air étant créé par le mouvement de la membrane selon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 2c représente une vue en coupe du moteur configuré pour recevoir une lame d'air de refroidissement de la bobine, l'air étant créé par le mouvement de la membrane, et une valve permettant d'introduire de l'air froid venant de l'extérieur selon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 2d représente une vue en coupe du moteur configuré pour recevoir une lame d'air de refroidissement de la bobine, sous l'aspiration d'un ventilateur selon un mode d'exécution de l'invention,

la figure 3 représente une vue en coupe du moteur équipé d'un refroidissement extérieur par fluide caloporteur selon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 4 représente une vue en coupe du moteur équipé d'un refroidissement par fluide caloporteur, directement en contact avec la bobine selon un mode d'exécution de l'invention,

- les figures 5a et 5b représentent une vue en coupe du moteur équipé d'une bobine à l'intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur selon un mode d'exécution de l'invention,

- la figure 6 représente une vue en coupe du moteur équipé de caloducs de refroidissement selon un mode d'exécution de l'invention.

Description détaillée de l'invention et de modes d'exécution

En référence aux modes d'exécution illustrés dans les figures, le moteur inductif 1 de haut-parleur comprend un bol 2 et un noyau 3 tous deux constitués d'un matériau magnétiquement conducteur, de préférence de l'acier par exemple; d'une bobine 4 montée à l'intérieur dudit bol 2 et alimentée par un courant alternatif ; d'un ou plusieurs aimants 5 chargés radialement et montés à l'extérieur dudit noyau 3, de manière à former avec ladite bobine 4 un espace d'air magnétique 6 ; d'un induit 7 constitué d'un matériau conducteur, de préférence de l'aluminium par exemple, monté dans ledit espace d'air magnétique 6, et relié à une membrane 9 de haut-parleur. Ladite membrane 9 est fixée au panier 11. Lors du fonctionnement du haut-parleur, ladite bobine 4 génère de la chaleur. Cette chaleur est transmise au dit espace d'air magnétique 6 entourant ladite bobine 4, et audit bol 2 en contact ou à proximité de ladite bobine 4.

En référence au mode d'exécution illustré dans les figures 1a et 1 b, le bol 2 est muni d'ailettes 2a sur ses faces extérieures. Sur la figure 1 a, les ailettes de refroidissement sont orientées de façon axiale par rapport au cylindre. Sur la figure 1 b, les ailettes de refroidissement sont orientées de façon radiale par rapport au cylindre. Lesdites ailettes 2a permettent d'augmenter les surfaces d'échange thermique entre ledit bol 2 et le milieu extérieur 8. Avec cette importante surface d'échange, les calories présentes sous forme de chaleur dans ledit bol 2 sont évacuées de façon plus efficace, réalisant un refroidissement dudit bol 2, et par conséquent desdits espace d'air magnétique 6 et bobine 4. Le nombre d'ailettes 2a n'est pas limité à celui illustré dans les figures mais peut être différent. Les ailettes 2a peuvent être réparties de façon régulière ou non. Elles peuvent avoir la même forme et/ou taille ou non. Tous ces paramètres (et d'autres encore) peuvent être adaptés en fonction des circonstances, de la taille du bol et/ou de l'application.

De manière favorable un élément de type ventilateur, non représenté sur les figures 1 a et 1 b, peut être ajouté à l'extérieur dudit moteur inductif 1 afin de créer un flux d'air radial autour desdites ailettes 2a pour avoir toujours de l'air froid autour desdites ailettes 2a, de façon à augmenter les échanges thermiques et améliorer le refroidissement desdits bol 2, espace d'air magnétique 6 et bobine 4.

En référence au mode d'exécution illustré dans la figure 2a, le bol 2 comprend des conduits supérieurs 2b entre ledit milieu extérieur 8 et ledit espace d'air magnétique 6, ainsi que des conduits inférieurs 2c entre ledit espace d'air magnétique 10 et ledit milieu extérieur 8. Lesdits conduits 2b et 2c sont positionnés directement en face de ladite bobine 4, orientés dans la même direction que celle de l'axe de ladite bobine 4. De cette façon, lorsque ladite bobine 4 chauffe l'air contenu dans ledit espace d'air magnétique 6, un effet cheminée se produit, l'air chaud de plus faible densité montant, remplacé dans ledit espace d'air magnétique 6 par de l'air frais venant du bas depuis ledit milieu extérieur 8.

En référence au mode d'exécution illustré dans les figures 2b et 2c, le bol 2 comprend des conduits supérieurs 2b entre l'espace sous membrane 10 et ledit espace d'air magnétique 6, ainsi que des conduits inférieurs 2c entre ledit espace d'air magnétique 10 et ledit milieu extérieur 8. Lesdits conduits 2b et 2c sont positionnés directement en face de ladite bobine 4, orientés dans la même direction que celle de l'axe de ladite bobine 4. Sur la figure 2a, lorsque le haut-parleur est en fonctionnement, ladite membrane 7 vibre, ce qui crée alternativement des surpressions et des dépressions dans ledit espace sous membrane 10, sous ladite membrane 7. Ces pressions et dépressions créent un mouvement d'air axial passant au travers desdits conduits supérieures 2b et inférieurs 2c, chassant ainsi l'air chaud présent autour de ladite bobine 4 pour le remplacer par un air plus froid venant dudit espace sous membrane 10 ou dudit milieu extérieur 8. Selon la figure 2c, des valves 11 a montées autour dudit espace sous membrane 10 peuvent permettre d'alimenter en air froid ledit espace sous membrane 10.

En référence au mode d'exécution illustré dans la figure 2d, un ventilateur 12 est placé de façon à générer un flux d'air dirigé selon une direction sensiblement parallèle à l'axe dudit bol 2. Des ouvertures 11 b permettent de faire communiquer ledit espace sous membrane 10 avec le milieu extérieur 8. Le ventilateur 12 en fonctionnement aspire l'air chaud autour de ladite bobine 4, au travers desdits conduits inférieurs 2c, créant une dépression dans ledit espace d'air magnétique 10. Du fait de cette dépression, de l'air frais venant dudit milieu extérieur 8 est aspiré au travers desdites ouvertures 11 b et desdits conduits supérieurs 2b pour se placer autour de ladite bobine 4, permettant ainsi de la refroidir. L'effet Coandâ permet enfin d'améliorer ce refroidissement, le flux d'air collant aux géométries de ladite bobine 4. De façon avantageuse mais non exclusive, lesdits conduits supérieurs 2b et conduits inférieurs 2c possèdent des parois latérales inclinées par rapport à la direction d'écoulement de l'air, de façon à avoir des sections variables. Cette variation de section crée des zones de pression et de dépression. La détente de l'air après le passage

dans ledit conduit supérieur 2b permet ainsi un refroidissement de l'air entrant dans ledit espace d'air magnétique 10, et donc un meilleur refroidissement de ladite bobine 4.

En référence au mode d'exécution illustré dans la figure 3, ledit bol 2 est entouré d'un circuit fluidique 13. Dans ledit circuit fluidique 13 circule un fluide caloporteur, favorablement de l'eau pure ou un liquide diélectrique type « 3M Novec » spécialement conçus pour le refroidissement de composants électroniques par immersion. Ledit fluide caloporteur permet d'évacuer les calories présentes sous forme de chaleur dans ledit bol 2, réalisant un refroidissement dudit bol 2, et par conséquent desdits espace d'air magnétique 6 et bobine 4. De façon favorable, ledit circuit fluidique est relié à un système de pompage et à un système de refroidissement, non représentés sur la figure 3, de façon à assurer une circulation dudit fluide caloporteur froid dans ledit circuit fluidique 13, pour un meilleur refroidissement desdits bol 2, espace d'air magnétique 6 et bobine 4.

En référence au mode d'exécution illustré dans la figure 4, ledit bol 2 comporte un circuit fluidique 15 sur sa face intérieure, en contact avec ladite bobine 4. Dans ledit circuit fluidique 15 circule un fluide caloporteur, favorablement de l'eau pure ou un liquide diélectrique type « 3M Novec » spécialement conçus pour le refroidissement de composants électroniques par immersion. Ledit fluide caloporteur permet d'évacuer les calories présentes sous forme de chaleur dans ladite bobine 4, réalisant un refroidissement direct de celle-ci. De façon favorable, ledit circuit fluidique 15 est relié à un système de pompage et à un système de refroidissement, non représentés sur la figure, de façon à assurer une circulation dudit fluide caloporteur froid dans ledit circuit fluidique 15, pour un meilleur refroidissement de ladite bobine 4.

En référence au mode d'exécution illustré dans les figures 5a et 5b, ladite bobine 4 est réalisée par l'enroulement d'un tube conducteur électriquement. A l'intérieur de ce tube circule un fluide caloporteur, favorablement de l'eau pure ou un liquide diélectrique type « 3M Novec » spécialement conçus pour le refroidissement de composants électroniques par immersion. Ledit fluide caloporteur permet d'évacuer les calories présentes sous forme de chaleur dans ladite bobine 4, réalisant un refroidissement direct depuis l'intérieur de celle-ci. De façon favorable, ladite bobine 4 est reliée à un système de pompage et à un système de refroidissement, non représentés sur la figure, de façon à assurer une circulation dudit fluide caloporteur froid dans ladite bobine 4, pour un meilleur refroidissement de celle-ci.

En référence au mode d'exécution illustré dans la figure 6, ledit bol 2 est muni d'un ou plusieurs caloducs 18 sur toute sa périphérie. De façon non limitative, ces caloducs peuvent être de forme cylindrique et montés dans des cavités creusées de façon sensiblement radiale dans ledit bol 2. Dans cette configuration, ils relient la partie extérieure dudit moteur inductif 1 , à la partie intérieure dudit moteur inductif 1 , occupé par ladite bobine 4 et par ledit espace d'air magnétique 6. Lesdits caloducs 18 permettent une densité d'échange de calories plus importante que le matériau constituant ledit bol 2. Dans le cas d'un refroidissement à air tel que représenté en figure 1 , ou d'un refroidissement fluidique tel que représenté en figure 3, lesdits caloducs rendent le refroidissement de ladite bobine 4 et dudit espace d'air magnétique 6 plus efficace, puisqu'ils permettent d'évacuer un plus grand nombre de calories vers l'extérieur.

Lesdits éléments de refroidissement permettentde diminuer la température à l'intérieur dudit moteur inductif 1. Ainsi, des matériaux possédant de meilleures densités énergétiques mais des températures de fonctionnement plus faibles peuvent être utilisés pour constituer lesdits aimants 5, et donc améliorer l'efficacité dudit moteur inductif 1.

Cette invention peut être adaptée à des applications autres que celle du haut-parleur, particulièrement dans les applications où l'on doit générer des vibrations importantes et précises sur une période de temps importante. C'est le cas par exemple pour les pots vibrants. Le principe de l’invention n’est ainsi pas limité aux modes d'exécution et formes de réalisation décrits, mais est susceptible d’être modifié dans le cadre de la protection recherchée.

Les modes d'exécution décrits le sont à titre d'exemples illustratifs et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. D'autres modes d'exécution peuvent faire appel à des moyens équivalents à ceux décrits par exemple. Les modes d'exécution peuvent également être combinés entre eux en fonction des circonstances, ou des moyens utilisés dans un mode peuvent être utilisés dans un autre mode.