Brevet FR2006233A1 — publié le 19691226

la présente invention concerne m moteur électrique perfectionné commandé par impulsions. La plupart des moteurs de précision connus du type " pas à pas" exigent un courant d'entraînement excessif en 5 raison du manque d'efficacité des circuits magnétiques comportant des entrefers en séries multiples, ou bien l'utilisation de rotors à aimants permanents qui produisent un traînage excessif des rotors. La plupart des moteurs connus de ce genre exigent également des "bobinages complexes et des agencements 10 collecteurs ou de commutation qui peuvent devenir d'une utilisation prohibitive lorsqu'on doit choisir un grand nombre de positions individuelles d'arrêt. L'invention supprime la nécessité d'utiliser des aimants permanets et chaque ensemble rotor-stator utilise un 15 seul enroulement de solénoïde logé dans un espace annulaire, ou cavité, défini entre les bagues intérieure et extérieure d'un corps de stator qui est en réalité d'une seule pièce. Les entrefers en séries multiples (au moins doubles) des moteurs connus sont remplacéq par un seul entrefer segmenté 20 de travail (pour chaque ensemble rotor-stator), constitué de la combinaison parallèle des entrefers qu'on obtient au moyen des secteurs dentés mutuellement en regard formé sur la surface dirigée vers l'intérieur de la bague extérieure du stator et la surface dirigée vers l'extérieur de la bor-25 dure périphérique du rotor. La surface dirigée vers 11 intérieur de la périphérie du rotor et la surface dirigée vers l'extérieur de la bague intérieure du stator, qui sont en regard l'une de l'autre, sont régulièrement cylindriques et sont très étroitement espacées de manière à réduire au minimum la réluctance 30 de cet entrefer "inopérant". L'unique entrefer de travail réduit grandement la réluctance du circuit magnétique et améliore le couple que l'on peut obtenir pour une excitation donnée; en d'autres termes,. le circuit magnétique est hautement efficace et on peut accélérer le rotor à sa vitesse de 55 régime sous des charges très faibles à l'aide de quelques impulsions seulement du courant dans le solénoïde. Un dispositif unique tel que celui qui vient d'être décrit ne facilite pas le simple réglage par impulsions du sens de rotation ou le freinage par inversion de couple. 40 L'invention envisage la combinaison de deux ou (de préférence) 69 11421 2006233 de trois ensembles de ce genre, gui sont identiques sauf que les rotors sont connectés, par exemple à l'aide d'un arbre commun, et que les stators sont également connectés entre eux, les alignements entre les dents des rotors et des 5 stators étant échelonnés ou déportés d'un ensemble au suivant. La séquence sous laquelle on envoie des impulsions dans les différents enroulements solénoïdes assure alors le contrôle de sens désiré ainsi qu'un freinage par inversion du couple et le mouvement pas à pas. On réalise facilement le maintien de 10 l'arbre du rotor dans une position finale repérée en faisant passer un courant de maintien de valeur constante et modérée dans l'un des enroulements. Normalement, le contrôle de commutation des courants dans les enroulements sera un contrôle digital du type puisé et comportant une commande de la réaction 15 fournie par un système détecteur de la position de la charge afin d'établir un fonctionnement intégralement asservi, y compris le contrôle de la période d'accélération en fonction de l'amplitude de la distance nécessaire (angulaire) du trajet. Cependant, on peut parfaitement envisager un réglage manuel 20 de la séquence des impulsions dans les enroulements. -iuand on utilise le moteur selon l'invention en qualité de générateur de puissance' (outre le réglage du type digital asservi de la position en rotation qui a été indiqué ci-dessus), ce moteur fournit une puissance potentielle 25 extrêmement élevée compte tenu de sa faible dimension et de son poids réduit, ce qui est en grande partie dû à l'efficacité élevée de sa construction avec un seul entrefer -de travail et à la grande concentration des enroulements des solénoïdes. La description qui va suivre en regard du dessin 50 annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en plan d'un ensemble unique de rotor et de stator selon l'invention, une partie du rotor étant en arrachement pour faire ressortir les élé-35 ments sous-jacents. La figure 2 est un quart de coupe verticale de l'ensemble représenté à la figure 1. La figure 3 est une vue analogue à la figure 2 mais montrant une variante de cet ensemble. 40 La figure 4 est une coupe verticale centrale d'un 69 11421 3 2006233 moteur comprenant trois ensembles stator-rotor selon l'inven-' tion. La figure 5 est une coupe partielle par la ligne 5-5 de la figure 4. 5 La figure 6 est une coupe partielle par la ligne 6-6 de la figure 4. La figure 7 est une coupe partielle par la ligne 7-7 de la figure 4. La figure 8 est un schéma simplifié du circuit 10 d'excitation des enroulements de solénoïdes du moteur de la figure 4-. Pour bien comprendre les concepts de la construction qui ont pour effet de réaliser une inertie de rotor extrêmement basse, de grandement augmenter le rendement de la 15 structure magnétique, de simplifier les enroulements et de foto?— nir un rapport élevé de la puissance à la dimension ou au poids de l'appareil, on a intérêt à étudier un seul ensemble de rotor et de stator du type représenté sur les figures 1 et 2. Cet ensemble unique peut se comporter comme un moteur dans 20 l'un ou l'autre sens selon l'orientation angulaire du rotor et du stator au début de l'envoi de la première impulsion de commande. Comme on le verra plus loin, on peut réaliser avantageusement un contrôle total sur le démarrage et l'arrêt par l'utilisation d'une construction comportant plusieurs ensembles 25 mais, pour la compréhension initiale dqéystème,la -description d'un seul ensemble est suffisante. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le diamètre de l'ensemble est de 22,2 mm et sa longueur axiale est de 89 mm9 le retor et le stator comportant chacun 30 dents. 30 L'ensemble développe un couple maximal qui est de 1,12 kg/cm, pour une excitation magnétique de 140 à 160 ampère-tours par centimètre, et il pourrait fonctionner comme un moteur synchrone ' avec des impulsions d'entrée dont le rythme peut atteindre 2500 Hz, que ces impulsions soient ondu-35 lées, carrées ou sinusoïdales en courant alternatif à simple ou à double alternance. Dans des applications telles que l'établissement de la position du rotor, lorsque la rotation entre les positions successives choisies est inférieure à 360°, trois éléments jumelés de ce type peuvent porter un 40 organe mené typique à une vitesse atteignant 1800 tours/minute 69 11421 4 2006233 par application de trois impulsions successives seulement et, naturellement, l'élément sera arrêté par l'application de troiê impulsions en ordre inverse. Si l'on prévoit 30 dents dans chaque ensemble de rotor et de stator, cet ensemble jumelé 5 procure 90 positions individuelles et très précises, de sorte que, comme on l'a dit plus haut, on peut atteindre la pleine vitesse au cours d'une très petite fraction d'une rotation. Sur les figures 1 et 2, la référence 10 désigne un corps de stator en forme de cuvette construit en un matériau doux 10 magnétiquement perméable tel que du fer doux, présentant un évi- . dement annulaire entre une bague intérieure 12 et une bague extérieure 14 qui sont reliées à la partie inférieure de l'ensemble (figure 2) par l'entremise d'une section 16. Le rotor 18, construit en un matériau analogue, comprend une bordure ou 15 enveloppe extérieure 20 et une mince partie circulaire 22 formant membrure qui réunit la périphérie à un manchon central 24 dans lequel est pratiqué, par exemple, un trou carré 26 pour recevoir un arbre de sortie ou un accouplement d'entraînement qui n'est pas représenté sur ces figures. Le manchon 24 est 20 »tourillonné dans le stator par exemple à l'aide de roulements 28 et 30. Une bague de retenue 32 profilée en G peut être prévue pour servir à maintenir les parties en assemblage, ou en variante, ce rôle est dévolu aux paliers. Un simple enroulement 34 de solénoïde, qui peut être 25 formé sur une bobine, est engagé et convenablement assujetti dans la partie inférieure de l'évidement annulaire entre les bagues 12 et 14 du stator. La partie supérieure de cet évidement est principalement occupée par l'enveloppe 20 du rotor dont la surface intérieure régulièrement cylindrique est séparée peu? 30 un jeu minimal qui peut être d'environ 25 microns, de la surface extérieure régulièrement cylindrique de la bague intérieure 12 du rotor, de manière à réduire au minimum la réluctance dans cet entrefer inopérant. La surface dirigée vers l'extérieur de l'enveloppe 20 du rotor présente une série de dents 36 (dans 35 l'exemple choisi, ces dents sont au nombre de 30) régulièrement espacées sur la périphérie du rotor et séparées par des creux dont la profondeur est normalement égale à 1,5 fois la largeur de la face des dents. Les dents sont profilées de manière à ménager, dans le cas typique, une séparation entre dents adjacen-40 tes sui est environ double de la largeur de la face de ces dents. 69 11421 5 2006233 La surface dirigée vers l'intérieur de la bague extérieure 14 du rotor porte également une denture 38 au moins dans la zone axiale qui correspond aux dents 36 du rotor. Le corps du rotor présente au moins une fente 40 qui traverse 5 sa bague extérieure et à travers laquelle on fait passer les conducteurs 42 de 1'enroulement, comme on peut le voir sur le dessin. A l'examen des lignes de flux 3? indiquées en traits discontinus sur la figure 2, on peut se rendre compte que l'accouplement magnétique entre le rotor et le stator est très 10 "serré". L'unique entrefer de travail du dispositif est celui qui existe entre les dents du rotor et celles du stator, et cet entrefer est en réalité la combinaison de 30 entrefers identiques connectés en parallèle (du point de vue du circuit magnétique), de sorte que la surface de l'entrefer est relati-15 vement très importante et que sa largeur réelle ou espacement entre les pôles est très faible. L'entrefer minimal sur l'intérieur de la périphérie du rotor n'est pas un entrefer de travail, car il ne contribue pas directement à l'établissement du couple d'entraînement. De plus, le flux magnétique ne passe 20 qu'à travers la périphérie pleine du rotor, de sorte que la partie 22 formant membrure peut être relativement mince et peut même être perforée pour réduire au minimum l'inertie du rotor. Avec l'orientation particulière, représentée sur 25 la figure 1, des dents du rotor par rapport aux dents du stator, une impulsion appliquée à l'enroulement tend à entraîner (tirer) le rotor dans le sens dextrorsum. On peut établir le rythme des impulsions successives de manière à maintenir le couple directionnel par toute technique désirée, par 30 exemple à l'aide d'un disque fendu monté sur l'arbre du moteur ou d'un dispositif mené, en combinaison avec une série de trois cellules photo-électriques dont le signal sortant indiquera les positions relatives des dents. Le dispositif de réglage du rythme n'est pas considéré comme étant une caracté-35 ristique essentielle de l'invention. Si, pendant le mouvement du rotor, les impulsions à l'enroulement sont .envoyées en déphasage par rapport aux impulsions servant à accélérer le rotor, on obtient une décélération et si l'on applique par la suite un courant coHstant à l'enroulement pendant que le 40 rotor tourne à une vitesse inférieure à une valeur donnée, ■11421 6 2006233 on aboutit à un blocage ou à l'avancement d'un pas de la position du rotor quand les dents du rotor et celles du stator sont centrées les unes par rapport aux autres. Il convient de remarquer que la présence de la fente 40 dans le corps 5 du rotor tend à bloquer tous les courants de Foucault éventuels qui pourraient réduire de façon indésirable la vitesse de la réponse aux impulsions de courant d'entraînement. A la figure 3, qui constitue une variante de réalisation, l'épaisseur radiale de la périphérie 20' du rotor 10 a été réduite à une dimension tout juste suffisante pour supporter les dents 36' du rotor, ce qui a pour effet de réduire encore plus l'inertie du rotor. S'il fallait procéder de cette manière dans l'appareil représenté à la figure 2, la largeur résultante de l'évidement annulaire du stator empêche-15 rait l'introduction d'une bobine de dimensions appropriées. .Sn censéquence, le stator est construit en deux parties et, dans une telle construction, une pièce polaire intérieure 44 en fer doux, portant l'enroulement 34' bobiné directement sur elle (dans le but également d'améliorer la dissipation de la 20 chaleur) est emboîtée à la presse en position à l'intérieur du corps du stator, comme représenté. On peut alors mettre en place le rotor qui comprend un moyeu 46 muni d'une broche en acier trempé 48 servant d'arbre du rotor, cette broche étant tourillonnée dans des paliers en métal fritté 50, 52 qui sont 25 forcés dans l'ouverture centrale du stator. Naturellement, on peut utiliser d'autres matériaux pour l'arbre et pour les paliers, ou bien encore la construction pourrait être analogue à celle des figures 1 et 2. Les éléments de la figure 3 qui correspondent d'une façon générale à ceux qui ont déjà été dé-30 crifcs aoit désignés par les mêmes références numériques suivies du signe "prime". Il convient de remarquer que l'utilisation d'un stator en deux parties-du type qui vient d'être décrit introduit en fait un autre entrefer (bien qu'il soit du type à 35 contact embouti à la presse) dans le circuit magnétique et réduit donc dans une certaine mesure le couple de sortie disponible. Cet inconvénient est cependant compensé par le fait que la construction préconisée permet l'utilisation d'une section transversale de surface plus importante pour l'enrou-40 lement de bobinage, de sorte que cette perte de couple peut 69 t1421 7 2006233 en général être compensée. Pour une accélération maximale de la rotation, une telle construction plus coûteuse est justifiée. Pour assurer une réduction supplémentaire, "bien que très faible, du moment d'inertie du rotor, la membrure 22 ou 5 22' qui supporte la périphérie du rotor peut être réduite à la forme d'une simple armature par perçage de gros trous, ou bien peut être construite à la façon d'une structure à rais. La figure 4 représente un mode de réalisation 10 typique qui utilise trois ensembles de rotor et de stator du type décrit à propos de la figure 1 afin d'assurer les réglages directionnels et les autres contrôles du type précédemment mentionné, les combinaisons de dents des trois ensembles étant angulairement déportées les unes par rapport aux 15 autres. Certaines pièces qui sont communes aux trois ensembles sont représentées comme étant construites d'un seul tenant dans un but de simplicité et d'économie, et les trois ensembles sont désignés par les références A, B et C pour ne pas avoir à utiliser de références numériques supplémentaires. Ces trois 20 éléments sont assemblés dans un organe de support ou carter 54 qui est muni d'ailettes (pour dissipation de la chaleur), cet assemblage pouvant se faire à l'aide de brides de serrage, par emboutissage ou par d'autres moyens, et le carter peut comporter un couvercle 56 qui le protège contre la poussière. 25 Les rotors des ensembles B et C sont d'un seul tenant avec un manchon 58 qui reçoit un arbre 60 ayant une section transversale carrée pour pouvoir l'accoupler à un organe mené, tandis que le rotor de l'ensemble A est embouti à la presse sur le manchon comme on peut le voir en 62. Une gorge annulaire profonde 50 63 isole magnétiquement les rotors des ensembles B et C et réduit aussi de toute évidence l'inertie globale des rotors. De façon analogue, les stators des ensembles A et B se partagent le mêmé corps de stator 64- formé d'une pièce et présentant deux extrémités, ce corps 64-, en combinai-35 son avec le corps du stator de l'ensemble C, étant maintenu en position immuable dans le carter 54- de sorte que la concordance de phases correcte entre les positions des diverses dents se maintient. Dans le mode de réalisation représenté, les dents des trois rotors sont en alignement comme on peut 40 le voir par une comparaison entre les figures 5, 6 et 7» 11421 8 2006233 Cependant, les dents des stators sont disposées avec un déport de plus en plus grand (d'un ensemble au suivant) qui correspond à la largeur des faces des dents. La rotation dans le sens sinistrorsum de l'ensemble des rotors aura pour effet d'exciter 5 les enroulements des ensembles À, B, C suivant la séquence : A, C, B-A, C, B-, alors que la rotation dans le sens dex-trorsum excitera les enroulements suivant la séquence C, A, B — C, A, B- , etc. à la condition que les rotors et les stators occupent initialement les positions indiquées à la figure 6. 10 Les polarités magnétiques instantanées sont indiquées par les lettres N et S en plusieurs endroits, de sorte que le sens de l'entraînement, est facilement compréhensible. Pour arrêter le moteur, on applique d'abord le courant à la bobine de l'élément dont les dents sont momentanément 15 en plein alignement, comme on peut le voir sur la figure 6. Ce rapport entre les dents est indiqué par le détecteur accouplé à l'organe mené. L'impulsion d'arrêt de cour nt est maintenue jusqu'au moment où les dents de l'ensemble considéré sont dans la position indiquée sur la figure 5 ou sur la figure 7» On. 20 applique alors le courant à l'enroulement d'un autre ensemble dont les dents sont venues à ce stade en alignement. On poursuit l'application des impulsions d'arrêt de courant jusqu'à ce que tous les rotors se soient arrêtés et à ce moment, un courant régulier d'avancement pas à pas ou de maintien (de faible 25 valeur) est appliqué au bobinage de l'ensemble dont les dents sont les plus proches de la position d'alignement. La figure 8 représente un simple montage de commutation permettant d'appliquer du courant aux enroulements de bobine successifs en séquence. Des commutateurs 66, 68 et 70 30 peuvent constituer un collecteur mécanique qui est entraîné par le dispositif ou bien ils peuvent représenter un montage de communication électronique d'un type dont la technique antérieure fournit de nombreux exemples. Le commutateur 72 qui est en série avec une source de courant 74- sert à mettre en court— 35 circuit une résistance-série 76 de manière que, lorsque le commutateur 72 s'ouvre, le courant constant réduit qui a déjà été mentionné alimente l'enroulement de l'ensemble (celui de l'ensemble B dans l'exemple représenté) dont les dents sont en alignement. ^ Le système de réglage peut comporter un agencement 69 11421 9 2006233 permettant d'appliquer des impulsions successives de courant réduit (faisant suite aux impulsions initiales d'accélération) en vue de maintenir la vitesse désirée pendant le déplacement du rotor à sa nouvelle position. Ainsi, on voit qu'un simple 5 mouvement au ralenti du rotor, faisant suite à la période d'accélération, n'est pas indispensable pour l'installation. Il n'est pas davantage indispensable que le rotor et le stator portent le même nombre de dents car l'un de ces organes peut avoir un nombre de dents qui est un multi-10 pie ou un sous-multiple du nombre de dents sur l'autre organe. Comme on l'a déjà expliqué, les modes de réalisation préférés utilisent des pièces portant des circuits magnétiques qui sont formées en fer possédant une bonne perméabilité magnétique et de faibles valeurs de persistance ; cela veut 15 dire qu'on n'utilise pas de système à aimants permanents. Cependant, le stator ou le rotor, ou une partie de l'un ou de l'autre, peut posséder un certain degré de persistance magnétique pour faciliter le mouvement pas-à pas ou pour améliorer l'action de cascade, si les inconvénients précités propres aux 20 matériaux magnétiquement durs sont admissibles. En'conséquence, la Demanderesse ne désire pas exclure entièrement l'utilisation éventuelle de tels matériaux magnétiquement "plus durs". Outre la réduction de la réluctance du circuit magnétique tout entier, la division ou la segmentation de l'en-25 trefer de travail en une multiplicité de dents ayant des polarités identiques permet d'équilibrer les forces radiales s'exerçant sur l'induit ou l'enveloppe du rotor, par suite de la symétrie circulaire des vecteurs de forces. Cette caractéristique est en opposition à celle des moteurs qui n'utili-50 sent que deux ou trois groupes de pôles sur le rotor ou le stator, et dans lesquels des déséquilibres importants se produisent toujours entre les forces. 11421 10 2006233 REVENDICATIONS 1.- Dispositif rotatif électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un stator présentant une gorge annulaire dans une face terminale de manière à former un pôle 5 intérieur sensiblement cylindrique et un pôle extérieur entourant le pôle intérieur, la paroi extérieure de cette gorge étant dentelée par une série de dents uniformes dirigées vers l'intérieur, ces dents constituant des prolongements du pôle extérieur, une "bobine à enroulement circulaire occupant une 10 partie de cette gorge et entourant le pôle intérieur, et une enveloppe circulaire formant induit qui porte autour de sa périphérie une série de dents uniformes dirigées vers l'extérieur, cet induit étant monté de manière à tourner dans la gorge, les dents de l'induit constituant des prolongements du pôle inté-15 rieur. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe d'induit est construite sensiblement en une seule pièce de matériau. 3«- Dispositif selon la revendication 1, caracté-20 risé en ce que ledit stator est construit sensiblement en une seule pièce de matériau. 4.- Appareil électromagnétique caractérisé en ce qu'il comprend une série de dispositifs tels que spécifiés dans la revendication 1, et dont les enveloppe d'induits sont 25 accouplées en vue d'une rotation solidaire.. 5•- appareil électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dents des stators ou les dents des enveloppes d'induits sont angulairement déportées les unès par rapport aux autres dans le sens de la rotation. 30 6.- Dispositif rotatif électromagnétique,-compre nant un seul entrefer de travail entre ses pôles, caractérisé en ce qu'il comprend un stator présentant une gorge annulaire dans •une face, une bobine occupant une partie de cette gorge, la paroi extérieure de la gorge étant munie d'une denture in-35 térieure, et une enveloppe extérieure formant rotor présentant une denture sur sa périphérie extérieure, cette ènveloppe étant montée de manière à tourner dans ladite gorge. 7«- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe de rotor est construite sensible-40 ment en une seule pièce de matériau. 69 11421 11 2006233 8.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le stator est construit sensiblement en une seule pièce de matériau. 9.- Appareil électromagnétique caractérisé en 5 ce qu'il comprend -une série de dispositifs tels que spécifiés dans la revendication 6 et dont les enveloppes de rotors sont accouplées en vue d'une rotation solidaire. 10.- .Appareil selon la revendication 9» caractérisé en ce que les dents des stators ou les dents des enveloppes 10 des rotors sont angulairement déportées les unes par rapport aux autres dans le sens de la rotation. 11.- moteur électrique commandé par des impulsions de courant, caractérisé en ce qu'il comprend tin stator formé principalement en un matériau magnétiquement doux et 15 présentant des pôles intérieur et extérieur radialement espacés et réunis par le matériau formant le stator à distance d'une extrémité de manière à définir au moins un espace sensiblement annulaire entre les pôles, la face extérieure du pôle intérieur adjacente à ladite extrémité ayant un contour régulièrement 20 cylindrique et la face intérieure du pôle extérieur portant une denture radiale de manière à former une série de prolongements de pôle; une bobine entourant au moins une partie du pôle intérieur dans ledit espace annulaire ; et un rotor présentant une partie annulaire formée principalement en un matériau magné-25 tiquement doux à l'intérieur dudit espace et présentant une face intérieure régulièrement cylindrique en position étroitement adjacente à la face extérieure uniforme du pôle intérieur du stator; et une face extérieure portant une denture radiale formant une série de prolongements du pôle, ces prolongements 30 définissant avec les dents de la face intérieure du pôle extérieur du stator une série d'entrefers de travail magnétiquement parallèles et espacés de distances angulaires égales. 12.- Dispositif rotatif électromagnétique caractérisé en ce qu'il comprend un stator, une bobine pour 35 exciter le stator, et un rotor, le stator et le rotor étant profilés avec précision dans une zone circulaire de clxacun d'eux et portant des dentures correspondantes dans une autre région circulaire, afin de constituer entre eux un seul entrefer de travail segmenté.