Brevet FR2009691A1 — publié le 19700206

La présente invention concerne les moteurs électriques synchrones et plus précisément un moteur synchrone à courant alternatif monophasé de petite dimension du type généralement utilisé pour actionner les horloges électriques, les minuteries et d'autres appareils temporisés. L'une des formes les plus courantes de moteur électrique synchrone miniature comprend un rotor disque présentant une série de pôles magnétiques espacés à des intervalles appropriés sur sa périphérie et tournant à l'in- térieur d'un anneau de pôlg, de stator dont le champ magnétique est produit par l'alimentation en courant alternatif de manière a être alternativement de polarité magnétique opposée de l'un sur l'autre.Dans un tel moteur le stator comprend généralement deux éléments en forme de coupelle en matière magnétique sans hystérésis, l'un d'une profondeur axiale réduite et l'autre d'une profondeur axiale plus importante, comportant chacun à leurs extrémités extérieures des régions cylindriques crénelées dont les crénelures respectives sont imbriquées lors de l'assemblage des deux coupelles sur une pièce centrale portant les enroulements de champ. Dans un tel moteur synchrone le rotor aimanté de anièrepermanente est wiativement près du fond de la coupelle de stator qui est la moins profonde et par conséquent l'attraction magnétique entre le rotor et la coupelle engendre une poussée axiale tendant à entraider le rotor en direction de la paroi. Cette poussée est généralement compensée par une butée à billessimple placée au fond d'un trou borgne constituant le palier principal de l'axe du rotor.La présence de cette butée à billesne permet cependant pas de dispo ser de la rotation du rotor à l'une ou l'autre extrémité de son axe. I1 est fréquemment nécessaire dans les applications commerciales de pouvoir disposer d'une prise de force à chaque extrémité de l'axe de sorte que la forme simple de butée à billesdoit être remplacée par d'autres types de butéeà surfaces de contact annulaire. Outre l'accroissement des frottements imposés au rotor, ces types de butée ont l'inconvénient d'une durée de vie relativement courte, particulièrement dans le cas d'un petit moteur synchrone tournant continuellement pendant des durées longues, souvent sans aucun entretien. La présente invention a par conséquent pour objet un moteur synchrone perfectionné éliminant le besoin d'une butée de poussée à charge continue ce qui a pour avantage de permettre la prise de force aux deux extrémités de l'axe du rotor sans exiger des surfaces de butée annulaires présentant les inconvénients mentionnés plus haut. Dans une forme de l'invention laplupart, sinon la totalité, des pièces polaires du stator entourant le rotor disque sont disposées de manière à converger légèrement vers l'intérieur en direction d'un point dé l'axe de rotation du rotor situé au-delà de ce dernier pour produire un gradient de champ magnétique auquel correspond une position d'équilibre axiale du rotor situé à l'écart de la paroi de stator adjacente ou de toute autre partie fixe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en élévation debout diun moteur électrique synchrone monophasé réalisé selon la présente invention, - la figure 2 est une coupe axiale du moteur de la figure 1, - la figure 3 est une vue en élévation du moteur des figures 1 et 2, - la figure 4 est une vue en élévation d'un élément en circuit imprimé servant à l'ancrage et aux interconnexions des extrémités des enroulements du moteur et la connexion des conducteurs externes, - la figure 5 est une vue en élévation d'une forme préférée de rotor disque magnétisé, - la figure 6 est une coupe partielle d'un outil servant au démontage du rotor disque aux fins de nottoyage et de lubrification de ces paliers. Sur les dessins le moteur comporte une structure de stator 10 constituée par une première coupelle de stator Il en matière ferromagnétiqué sans hystérésis fixée à l'extrémité d'un noyau cylindrique central 12 également en matière ferromagnétique sans hystérésis. La fixation est de préférence obtenue en pratiquant un épaulement 42 sur le noyau et en refoulant le métal du noyau comme en 43. La coupelle de stator 11 a une profondeur axiale supérieure à la longueur du noyau 12 de sorte que son bord dépasse au-delà de l'extrémité du noyau opposée à celle à laquelle elle est fixée. Une seconde coupelle de stator 13 de profondeur axiale moindre est fixée de la même manière à l'extrémité opposée du noyau 12. La profondeur axiale de la seconde coupelle 13 est telle que son bord soit dans le même plan perpendiculaire à l'axe du noyau que le bord de la coupelle 11. Les bords des deux coupelles stator 11 et 13 sont découpés ou crénelés pour constituer chacune une série de dents polaires régulièrement espacées et dirigées sensiblement axialement, respectivement 14 et 15. L'intervalle séparant chaque paire de dents associées à l'une ou l'autre des coupelles et sensiblement plus important que la largeur des dents. Les deux coupelles 11 et 13 sont assemblées sur le noyau 12 de façon que leurs dents respectives 14 et 15 soient imbriquées les unes dans les autres, chaque dent d'une coupelle étant à mi-chemin entre les dents de l'autre coupelle de manière à constituer des dents alternées reliées magnétiquement aux extrémités opposées du noyau central 12 et prenant par conséquent des polarités magnétiques opposées lorsqu'un enroulement magnétique 31 entourant le noyau 12 est excité. Le rotor 16 est constitué par un disque 17 de préférence en matière céramique à aimantation permanente et comporte six pôles principaux 18 espacés régulièrement et dirigés radialement. Comme illustré clairement sur la figure 5 chacun de ces pôles principaux est divisé en deux sous pôles espacés circonférentiellement 19. Le disque 17 est aimanté de manière permanente de façon que les pôles principaux soient de polarité alternée. Les extensions circonférentielles des pôles principaux et des sous pôles ainsi que l'espacement de chaque paire de sous pôles est déterminé par des relations connues à partir des largeurs et des intervalles des dents polaires fixes 14 et 15. Le nombre de pôles du rotor et le nombre de dents polaires est déterminé de manière classique en fonction de la vitesse de sortie désirée et de la fréquence du courant alternatif d'alimentation. Le rotor disque 17 comporte un alésage central 44 qui s'emmanche à ajustement libre sur un épaulement 20 d'un moyeu 21 emmanché à force sur un arbre de rotor 22 à proximité de l'une des extrémités de ce dernier. L'arbre de rotor 22 est un axe court de diamètre constant dont les extrémités sont hémisphériques. L'épaulement 20 de la bague 21 constitue une surface annulaire 23 contre laquelle vient s'appliquer élastiquement la face extérieure du rotor 17 pour établir un contact par friction sous la poussée d'une rondelle élastique 24, par exemple une rondelle Belleville comme représenté. La rondelle 24 est maintenue appliquée contre le disque par l'in~ troduction d'une partie de diamètre réduit 51 d'un évidement en forme de boutonnière 52 quelle comporte dans une gorge annulaire 25 de la bague 21. t'entrainement de l'arbre du rotor par friction avec le disque est particu lièrement avantageux pour les disques en matière céramique magnétique car il- permet d'éliminer toutes les difficultés de montage et de fixation qui se posent généralement. La bague 21 comporte sur son extrémité extérieure de diamètre élargie un filet hélicoïdal 56 principalement destine à l'engagement dtun outil d'extraction du rotor disque qui sera décrit dans ce qui suit et qui peut,si nécessaire,être modifié pour constituer une vis sans fin de sortie du moteur. L'arbre 22 du rotor est maintenu coaxialement par rapport au stator sur deux bagues métalliques identiques 26. Chacune de ces bagues a la forme d'un cylindre percé axialement pour constituer la surface de portée de l'arbre du rotor. L'alésage axial de chacun de ces cylindres est élargi de manière que lorsqu'ils sont assemblés face à face ils constituent deux surfaces de portée séparées par un réservoir lubrifiant 27. La surface extérieure cylindrique de chaque bague 26 est ajustée étroitement dans l'alésage à diamètre constant 28 traversant le noyau 12. Les extrémités intérieures des bagues 26 sont chanfreinées ou arrondies pour faciliter leur introduction automatique dans l'alésage 28 au montage du moteur et également pour assurer la fixation ultérieure des bagues en place en refoulant le métal du noyau 12 comme indiqué en 45 et 46. L'extrémité de l'arbre 22 opposée au rotor 17 est équipée d'un pignon d'entraînement 29. Ce pignon est emmanché à force sur l'arbre avec interposition d'une rondelle 30 en-polytétrafluoréthylène (P.T.F.E.) ou autre matière à faible coefficient de friction, entre les surfaces opposées du pignon 29 et de la bague de portée adjacente 26. Le bobinage d'excitation 31 du moteur entourant le noyau 12 est de préférence enfumé de manière étanche dans une -gaine annulaire creuse en deux parties ou boîtier 32 en matière plastique isolante dont les deux moitiés se raccordent par chevauchement en 47. L'extérieur des parois d'extrémité des moitiés du boîtier comporte des protubérances axiales 39 qui pénètrent dans des trous de positionnement 40 des parties centrales planes des coupelles de rotor 11 et 13 pour empêcher la rotation du bobinage autour du noyau 12. Les deux extrémités du bobinage 31 en fil relativement fin sont fixées, par exemple par soudage, à des zones conductrices séparées 33 d'une plaque à circuit imprimé ayant la forme d'une rondelle annulaire 34 (voir figure 4). Deux fils de connexion flexibles 35 reliant 1 moteur à l'exté- rieur sont fixés'aux deux zones conductrices 33. Ces conducteurs 35 sortent du moteur par des traversées isolantes 36 solidaires de l'une des moitiés du boîtier d'enroulement 32. Ces traversées dépassent par des ouvertures de la paroi latérale cylindrique de la coupelle 11. La plaque à circuit imprimé 34 est évidée en 48, 49 respectivement sur ses périphéries intérieures et extérieures pour permettre le passage des extrémités du bobinage 31.La plaque 34 est placée à l'intérieur du boîtier 32 entre la surface d'extrémité du bobinage 31 et la surface interne adjacente de la paroi d'extrémité du boîtier 32, la face conductrice de la plaque étant en contact avec la paroi du boîtier. Sur la figure 2 on peut voir que la poussée de l'arbre de rotor 22 vers l'intérieur du stator (comme l'indique la flèche a) due à l'attraction magnétique entre le rotor disque 17 et la paroi d'extrémité de la coupelle 13 est totalement compensée ou sensiblement neutralisée par l'attraction magnétique équivalente de sens inverse (flèche b) c'est-à-dire tendant à l'écarter de la paroi de la coupelle 13. Cette attraction opposée peut être rendue supérieure à la poussée en direction de la paroi d'extrémité pour ménager un espace libre entre la surface 53 de la bague 21 du rotor et la surface en regard 54 du palier 26. Ceci est réalisé en faisant converger la majorité ou la totalité des pôles de stator 14 et 15 vers l'intérieur en direction de l'axe du rotor lorsque ce dernier se prolonge au-delà du rotor.Une telle convergence des dents polaires peut être effectuée avant ou après assemblage des coupelles de stator sur le noyau central. La précision du formage est assurée par l'anneau 57 en matière amagnétique, telle que l'aluminium, placé à proximité de la paroi de base de la coupelle 13 avant le pliage des pôles. Du fait de la décroissance de l'entrefer annulaire séparant les dents-polaires et le rotor disque Lorsque ce dernier s'écarte vers l'extérieur, il est évident que cette disposition des pôles de stator engendre une poussée vers ltextérieur (dans le sens de la flèche b sur la figure 2) sur l'arbre qui croit lorsque le rotor arrive dans une position dans laquelle ces pôles sont soumis à une attraction plus forte par les dents polaires du stator. Dans une telle réalisation il peut y avoir un point d'équilibre axial instable du rotor pour lequel la force axiale (flèche a sur la figure 2) exercée par le rotor disque 17 sur le fond de la coupelle de stator 13 est exactement équilibré par l'attraction exercée entre la périphérie du rotor disque 17 et les extrémités extérieures des dents polaires de stator 14, 15. Les diverses pièces du moteur sont dimensionnées et placées de manière que le rotor 16 soit maintenu sensiblement dans cette -position d'équilibre pour laquelle les pressions exercées sur les surfaces de frottement sont réduites à un minimum. Dans la forme de réalisation représentée l'extrémité extérieure du moyeu 21 du rotor comporte un filetage 56. Ce filetage sert à engager un outil taraudé 57, représenté à la figure 6, comportant un système de plongeur central à vis 58 au moyen duquel le moyeu 2l,qui est emmanché à force, peut être facilement enlevé de l'arbre 22 avec le rotor disque 17 aux fins de nettoyage et de lubrification des paliers. Le moteur peut être équipé de tout type de dispositif assurant le démarrage de la rotation dans un sens déterminé au moment où l'enroulement est excité. Le montage du moteur dans ntimporte quelle position se fait de préférence par une plaque de montage 38 de forme adéquate fixée contre le fond de la plus profonde des deux coupelles de stator 11 et centrée sur l'extrémité de diamètre réduit 50 du noyau 12 à laquelle elle peut être fixée par refoulement du métal du noyau comme en 45. L'arbre du rotor 22 étant du même diamètre à ses deux extrémités le pignon 29 peut être emmanché à force à l'autre extrémité de l'arbre et remplacé par une collerette séparée également emmanchée à force, comme représenté en traits mixtes en 59. La sortie du moteur peut donc être prise à l'une ou l'autre des extrémités de l'arbre. I1 va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Moteur électrique synchrone à courant alternatif comprenant un rotor disque à aimantation permanente à la périphérie duquel sont découpés plusieurs pôles magnétiques à intervalle régulier, ledit rotor tournant à l'intérieur d'une série annulaire de pôles de stator espacés magnétisés par application d'un courant alternatif d'excitation à un enroulement associé audit pôle de stator de manière que ces derniers soient en alternance de polarité magnétique opposée, ledit moteur électrique étant caractérisé en ce qu'un jeu de pôles de stator est associé à un élément plat en matière magnétique disposé parallèlement et approximité du rotor disque, la majorité ou la totalité des pôles de stator étant rendue convergenteen direction de l'axe de rotation du rotor disque lorsque ce dernier axe se prolonge au-delà du rotor disque pour engendrer un gradient de champ magnétique qui, en fonctionnement, sdlicite le rotor disque à l'opposé dudit élément plan et permet de neutraliser totalement ou presque totalement la tendance qu'a ledit rotor disque à se rapprocher dudit élément plan par attraction. 2 - Moteur électrique synchrone selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa structure de stator est constituée par un noyau cylindrique, une première coupelle de stator fixée à l'une des extrémités dudit noyau, une seconde coupelle de stator fixée à l'autre extrémité dudit noyau, les deux coupelles comportant des bords crénelés pour former les pôles de stator, le noyau comportant un alésage axial dans lequel sont montés des paliers supportant la rotation de l'axe du rotor disque. 3 - Moteur électrique synchrone selon la revendication 2,caractérisé en ce que le rotor disque est en matière céramique à aimantation permanente et en ce qu'il est fixé par friction à son axe. 4 - Moteur électrique synchrone selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit axe comporte un moyeu de rotor présentant une surface radiale annulaire de portée contre laquelle est appliquée le rotor disque par un élément élastique qui assure l'entraînement par friction. 5 - Moteur électrique synchrone selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les extrémités opposées de l'axe sont de même diamètre et peuvent chacune recevoir le pignon de sortie par emmanchement à force. 6 - Moteur électrique synchrone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les~extrémités de l'enroulement de magnétisation sont fixées à des zones conductrices de l'électricité d'une plaque annulaire à circuit imprimé auxquelles sont également fixéa des fils souples de connexion externe du moteur, ladite plaque annulaire étant placée à proximité de l'une des extrémités dudit enroulement. 7 - Moteur électrique synchrone selon la revendication 6, carac- - térisé en ce que l'enroulement est enfermé dans un boîtier de protection et en ce que la plaque à circuit imprimé est coincée entre l'extrémité de l'enroulement et la paroi adjacente du boîtier.