Brevet FR2137280A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne l'adaptation d'un moteur synchrone monophasé à un fonctionnement pas à pas. Lorsqu'on applique un courant constant à la bobine unique que comporte an moteur synchrone monophasé, il en résulte la production d'un couple Ci qui varie, en fonction de la position angulaire # du rotor, suivant uneloi périodique d'allure sinu- soldate comportant N périodes par tour, N étant par exemple le nombre de paires de pôles du moteur ou, plus généralement, un nombre tel que la structure du circuit magnétique du moteur présente une symétrie de répétition d'ordre N. Chaque période C1 comprend une position d'équilibre stable et une position d'équilibre instable en présence du courant. En l'absence de courant, l'on observe, dans un moteur synchrone monophasé olassique, un couple résiduel CO à 2 N périodes par tour, ce qui donne, pour chaque demi période du couple Ci, une position d'équilibre stable et une position d'équilibre ins- table. Pour des raisons de symétrie du circuit, les zéros du couple Ci dG au courant coïncident généralement soit avec les positions d'équilibre instable, soit avec les positions d'équili- bre stable observées en l'absence de courant. Dans les deux cas, lorsque le couple C1 passe une valeur résistante maximale, le couple CO est nul, d'oU l'existence d'un Utrou de couples très important. Un tel moteur; contrairement à un moteur à champ tournant est donc, à priori, mal adapté au fonctionnement pas à pas et il est nécessaire, pour obtenir le franchissement du trou de couple, d'avoir recours à différents artifices. Dans l'art antérieur, on a par exemple, soit fait intervenir des dispositifs mécaniques, soit donné aux pôles des formes très élaborées dont la pratique a montré qu'elles étaient aptes à résondre ce problème. Ces procédés connus ne sont guère satisfaisants, surtout dans la réalisation de micro-moteurs destinés aux applications horlogères, et qui doivent être aussi simples que possible. L'élaboration de pièces polaires de forme complexe est délicate et ne permet pas de réaliser des micro-moteurs comportant un nombre élevé de pas par tour. On a propos, dans le brevet français déposé le 30 Septembre 1964 au nom de Georges SoeCHERRTCHEFF, pour s "Moteur électrique t circuit magnétique en ponts et délivré sous le n 1.417.292 (ci-après désigné"premier brevet susvisée3, un moteur à réluctance variable d'un type très particulier. Dans ce moteur, on a pu, grâce à certains artifices, élaborer un couple au repos apte à permettre un fonctionnement en pas à pas, obtenu en alimentant l'inducteur, soit en impulsions de courant alternées, soit même, ce qui est beaucoup plus intéressant dans les applications horlogères, en impulsions de courant de signe constant. Une application d'un tel moteur à l'horlogerie a été décrite dans le brevet français déposé le 17 Janvier 1968 par la Demanderesse, pour : "Mouvement d'horloerie entraîné par un moteur électrique rotatif pas à pas ayant deux phases motrices qui se succèdent dans le temps et délivré sous le NO 1.583.646 le 13 Octobre 1969 (ci-aprbs désigné "deuxième brevet susvisé"). Enfin, d'autres artifices permettant d'élaborer une loi de couple au repos du même genre ont été décrits dans le brevet français déposé le10 Xai 1968 par la Demanderesse, pour "Dispositif moteur dont le circuit magnétique comporte une couche mince en matériau magnétique dur" et délivré le 9 Juin 1969 sous le nO 1.574.848 (ci-après désigné "troisième brevet susvisé") 'tes études ultérieures de la Demanderesse lui ont permis de découvrir un procédé général d'élaboration d'une loi de couple au repos répondant aux buts indiqués ci-dessus. Ce procédé n'est plus lié, comme dans les trois brevets susvisés, à une structure particulière du moteur, mais peut, au contraire, s'appliquer à un moteur synchrone monophasé de type quelcmmque. Il consiste essentiellement à élaborer un couple au repos artificiel d'origine purement magnétique, obéissant à une loi périodique en fonction de la position angulaire du rotor-, et ayant une phase prédéterminée par rapport à celle du couple dû au courant. De préférence, la composante fondamentale dudit couple au repos artificiel présente, par rapport au couple dû au courant, une phase telle que, pour les positions d'équilibre stable du moteur au repos ("points durs constatés lorsqu'on essaie de faire tourner le rotor à la main) le couple dû au courant soit voisin de son maximum. Il en résulte évidemment que le couple au démarrage a une une valeur élevée. Be courant étant alors appliqué en impulsions de durée notablement inférieure à la demi-période de C1, ce dernier reste ainsi constamment voisin de son maximum, ce qui confère au moteur un rendement très élevé. 'l'invention propose différents moyens de mettre en oeuvre le procédé susvisé. Un moyen préféré consiste à faire coopérer, avec le moteur proprement dit, un système polarisé magnétiquement indépendant de celui-ci, composé d'une roue dentée en matériau doux en mouvement relatif, en synchronisme avec le rotor, vis-à-vis d'un ateant-annulaire. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparattront clairement à l'aide de la description ciaprès. Au dessin annexé 'la figure 1 est une vue schématique, en élévation, d'un moteur conforme à un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 2 est une vue schématique, en plan, du moteur de la figure 1. la fulgure 3 représente les couples d'un tel moteur en fonc tion de la position angulaire # du rotor. Ta figure 4 est une demi-coupe, par un plan axial, d'un moteur conforme à une exécution particulière de l'invention. 'la figure 5 est une coupe schématique, par IV-IV de la figare 6, de la moitie supérieure d'un moteur conforme à une autre exécution particulière de l'invention. La figure 6 est une demi-coupe suivant VI-VI de la figure 5. Tous Oes moteurs ,destinés par exemple à entrainer le méca nisme d'uee montre, sont très petits et ont été figurés au dessin à échelle très agrandie. L'ensemble moteur représenté à la figure I comprend, d'une part un moteur synchrone de type connu 1 présentant une structure magnétique à symétrie de répétition d'ordre N;d'autre part, un système polarisé qui lui est associé pour fournir un couple au repos artificiel obéissant à une loi prédéterminée. Be moteur proprement dit a été représenté schématiquement sous la forme d'un rectangle 1 ayant un arbre Il et monté dans un bâti amagnétique 12. Be système polarisé comprend une roue dentée 2 en matériau magnétique doux, calée sur l'arbre Il et comportant N dents et un aimant permanent 3 monté sur le bêti 12. Cet aimant a avantageusement la forme d'une bague et est aimanté, comme le montre la figure 2, de façon à présenter N/2 paires de pôles alternativement positifs et négatifs et unif or- mément distribués sur sa surface cylindrique intérieure. Be système polarisé (2-3) nta aucune influence sur le circuit magnétique du moteur 1. Ce dernier fournit, en la présence du courant qui l'alimentes un couple C1 représenté en trait mixte à la figure 3. Cecouple C1 varie, en fonction de la position angulaire t du rotor du moteur, suivant une loi sinusoidale présentant N périodes par tour. Be moteur 1 présente par ailleurs un couple résiduel naturel CO (représenté en trait plein à la figure 3), qui varie suivant une loi sinusoidale à 2N périodes par tour. 'les zéros de C4 coïncident par-exemple avec les positions d'équilibre instable de-CO. 2 L'action de l'aimant 3 sur la roue g bile par rapport à lui a pour seul effet d'engendrer un couple CD1 qui ne dépend pas de la présence ou de l'absence du courant et présente un terme fondamental à N périodes par tour. Ce couple est représenté en trait plein à la figure 3.Cela tient à ce que, la roue 1 n'étant pas polarisée, elle ne fait aucune différence entre les pôles positifs et les pôles négatifs de l'aimant 5. On constate, en général, que C01 présente en outre une harmonique trois. Un réglage approprié du calage angulaire du système polarisé par rapport au moteur 1 permet d'obtenir un déphasage prédéterminé de la composante fondamentale de C01 par rapport à C1 et à C0. Ce réglage est facile à effectuer, en mesurant les couples C01 et C1, et en agissant sur au moins l'un des deux paramètres suivants : position angulaire de l'aimant 3 par rapport aux polits durs naturels du moteur 1 et calage angulaire de la roue 2 sur l'arbre 11. On a représenté en pointillés, à la figure 3, le couple total au repos CO + C01. On voit que ce couple au repos est égal au couple utile constant 0u que doit fournir le moteur en un certain nombre de positions, dont S1 S2.. correspondent à des positions d'équilibre stable du moteur en l'absence de courant (Co + C01 ayant une pente négative). En S1' le couple C0 + C01 + Cu est nul (Cu étant un couple réactif),.si bien que le couple C1 fourni par une impulsion de courant, lance le rotor qui acquért une certaine énergie cinétique. Dans la position T1 où C0 + C01 est maximum, le couple C0 + C01-Cu est résistant, mais le rotor a acquis une énergie suf fisante.pour que le reste du pas soit franchi en l'absence de courant. An-delà de la position U1, C0 + C01 devient supérieure à Cu et le rotor parvient donc sans difficulté à la position S2 d'équilibre stable suivante en l'absence de courant. Une nouvelle impulsion de courant, entre S2 et T2, permet de réclamer un nouveau pas de fonctionnement. On soit que le moteur décrit est apte à fonctionner en pas à pas avec des impulsions de courant de signe constant, les "trous de couplez tels que T1 U1 étant franchis par inertie. Le courant n'étant appliqué que pendant les intervalles Sa T1, 52 T2 où C1 est voisin de son maximum, le rendement du moteur est exceptionnellement élevé. 'le couple au démarrage en un point quelconque d'équilibre stable au repos (S1, S2..) est voisin de la valeur maximum de C1, donc très élevé. La présence de l'harmonique trois de C01 est favorable, car elle a pour effet d'augmenter la raideur des flancs de Con en ces points, donc de les définir avec plus de précision. Le iode de fonctionnement que l'on vient de décrire repose évidemment sur l'existence de couples d'inertie suffisants, ce qui n'est pas un inconvénient dans de nombreux cas où ces couples d'inertie existent de toutes façons. Dans les cas oU l'on ne disposera pas d'un couple d'inertie suffisante, par exemple, parce que le moteur tourne très lentement, ce qui est intéressant sur le plan du rendement, il pourra être intéressant de réduire des trous des couples T1 U1. Â cet effet, il suffit de faire comporter au système (2-3) une roue supplémentaire 4 (figurée en pointillés) calée sur l'arbre 11 et comportant 2N dents. Cette roue introduit, par sa coopération avec l'aimant 3, un couple au repos artificiel supplémentaire C02 à 2N périodes par tour et dont la phase, par rapport à C0 et C1, peut être déterminée par réglage de la position angulaire de ladite roue sur l'arbre 11.Ce couple à fréquence double permet d'obtenir pour C02, la loi dite "optimum" représentée à la figure 9 du premier brevet susvisé, à condition de modifier le calage du fondamental C01 par rapport à Cio On rappellera que cette loi optimum consiste en ce que C02 est maximum chaque fois que le couple C1 dû au courant s'annule. La roue supplémentaire 4, par sa coopération avec l'aimant 3, åoue alors le même rôle que la denture à fréquence double décrite dans les trois brevets susvisés et qui faisait partie, soit du rotor, soit du stator du moteur. Elle permet donc d'obtenir un couple total sensiblement constant. Au lieu d'utiliser un aimant unique coopérant avec les roues 2 et 4, on pourrait, sans modifier sensiblement la loi du couple,associer à la roue 2 un aimant à N/2 paires de pôles et à la roue 4 un aimant à N paires de pôles. On pourrait encore utiliser, associée à un aimant unique, une roue unique comportant, à sa periphérie, deux secteurs dentés diamétralement opposés et au pas de N dents par tour et, disposés entre ces deux secteurs, deux autres secteurs dentés au pas de 2N dents par tour, avec un calage convenablement réglé d'un jeu de secteurs par rapport à l'autre. On soulignera, de toutes façons, que le terme 002 n'est généralement pas indispensable à un bon fonctionnement du moteur, et que la solution la plus simple représentée en trait plein aux figures 1 et 2 sera le plus souvent suffisante. Dans le cas oU l'on désire faire fonctionner le moteur de la figure 1 au moyen d'impulsions de courant alternées avec 2N pas par tour, on fera comporter à la roue 2 (la roue 4 étant alors omise) un nombre 2N/nts, et à l'aimant 3 un nombre N de paires de pôles alternés. Ceci aura pour effet d'introduire un couple artificiel au repos à la fréquence 2N, que l'on pourra, par réglage convenable de la position du système polarisé, phaser par rapport au couple naturel Co de façon que le couple total au re pos C02 + CO soit sensiblement maximum aux points où C1 s'annule. On aura ainsi réalisé la loi optimum déjà mentionnée. il doit être bien compris que l'on pourrait, sans modifier le fonctionnement du dispositif représenté aux figures 1 et 2, inverser les positions de la ou des roues et de l'aimant que comporte le système polarisé. Par exemple, l'aimant pourrait être entraîné en rotation par l'arbre du moteur, la ou les roues étant alors fixes. Par ailleurs, la fonction de l'un et/ou l'autre de ces deux organes (roues et aimant) pourrait être remplie par un organe faisant partie du moteur 1 proprement dit, c'est-à-dire mécaniquement solidaire du stator ou du rotor de celui-ci, ou meme constitué par une partie dudit stator ou dudit rotor. Ce genre de solutions ne permet toutefois d'obtenir une maîtrise parfaite de la phase relative du couple au repos et du couple électromagnétique C1 que si le système polarisé reste pratiquement indépendant, en ce qui concerne le flux, du circuit magnétique du moteur 1. On en donnera ci-aprbs deux exemples d'exécution, illustrés par les figures 4 A 6. Â la figure 4, on a représenté un moteur du type décrit dans le troisième brevet susvise. Ce moteur comprend un stator composé d'un noyau perméable 13 entouré de la bobine 14 et portant deux pièces polaires 15 et 16 respectivement munies de dentures 15a et 16a comportant chacane N dents (les creux des dents sont, dans l'exemple figuré, remplis de matière plastique). Le rotor est oonstitué par une cloche métallique 17 calée sur arbre 18 et munie d'une partie cylindrique 17a constituée par une couche minee" en matériau magnétique dur. Cette "couche mince" est aimantée radialement de façon à comporter N paires de pôles alternativement positifs et négatifs dans la région comprise dans l'entrefer défini par les dentures 15a et 16a. 'l'ensemble que l'on vient de décrire est sensiblement conformes aux figures 4 et 5 du troisième brevet susvisé et fonctionne de la même façon; Suivant l'invention, la partie supérieure de l'aimant 17a sort de l'entrefer mentionné ci-dessus et est aimantée radialement de façon à comporter N/2 paires de pôles sur sa circonférence extérieure alternativement positifs et négatif s. L'aimantation d'une couche mince 17a en deux régions ne réagissant pas l'une sur l'autre est à la portée de l'homme de l'Art. Par ailleurs, en regard de cette région supérieure de 1' ai- mant, se trouve une roue dentée 19 en matériau magnétique doux, par exemple fixée à la pièce polaire 15 ou au bâti du moteur. La roue 19 comporte N dents telles que 19a. 'la coopération de cette roue avec la région supérieure de l'aimant 17a engendre le couple artificiel C01 représenté à la figure 3,-si bien que le moteur ainsi modifié fonctionne de la manière décrite en se référant aux figures 1 à 3. Aux figures 5 et 6, on a représenté un moteur à circuit magnétique à ponts multiples et à pièces polaires radiales, du type décrit dans la première addition au premier brevet français susvisé, et plus particulièrement aux figures 3 et 4 de ladite addition. On rappellera qu'un tel moteur comporte un élément allongé d'induit rotatif (20) traversant une bobine (21) suivant l'axe de celle-ci. Cet induit est muni d'une denture (telle que 20a) à chaque extrémité. Be stator est composé de pièces polaires constituées par des plaques (telles que 22) en matériau magnétique doux, disposées radialement, et entre lesquelles sont calés des aimants permanents tels que 23 (figure 6). Chaque denture de l'induit forme- un couple d'entrefers avec chaque couple de pièces polaires de polarités opposées correspondant à chaque aimant. A titre d'exemple, lé moteur est destiné à comporter 12 pas par tour (couple C1 de fréquence N = 12) et la denture 20a comporte donc 12 dents. Aux figures 3 et 4 de l'addition susvisée, le rotor comportait une denture supplémentaire 38 comportant 24 dents, et destinée à introduire un couple G02 apte à procurer la loi de couple optimum mentionnez plus haut. Dans la variante actuellement décrite, cette denture à fréquence double a été supprimée. Par contre, on a ajouté un système polarisé constitué par un aimant supplémentaire unique en ferrite 24 coopérant avec une partie du rotor 20. Cet aimant est annulaire et, comme le montre le dessin, coopère avec la base de la denture 20a qu'il entoure. Il est aimanté de manière à présenter autant de pôles (alternativement positifs et négatifs) que le rotor comporte de dents (12 dans l'exemple considéré), c'est-à-dire N/2 paires de pôles. Les plaques découpées 22 du stator ont une forme symétrique par rapport à XX' (contrairement à ce qui était décrit en se référant à la figure 5 de l'addition susvisée Be système polarisé introduit en effet un couple artificiel C01 conforme à la figure 3 de la présente demande, et le moteur fonctionne comme il a été décrit en se référant aux figures 1 à 3. Toute dissymétrie de son circuit magnétique destinée à in- troduire un couple C01 en opposition de phase avec Ci, comme on l'a décrit dans l'addition susvisée, est donc inutile). On fera observer que, bien que l'aimant auxiliaire 24 soit incorporé au moteur et coopère avec une partie durotor de celui ci, le système polarisé ainsi constitué est, sur le plan magnétique, pratiquement indépendant du circuit magnétique principal du moiteur. On pourrait toutefois concevoir d'appliquer le procédé de l'invention à un moteur synchrone monophasé quelconque sans faire appel à un système polarisé magnétiquement indépendant du circuit magnétique du moteur. Ces solutions ne permettraient pas d'obtenir la loi de cou ple représentée à la figure 3. Elles consistent essentiellement, d'une manière générale, à faire coopérer avec l'aimant que comporte le moteur, ou avec les pôles du stator ou du rotor dans les cas où l'un de ces organes est polarisé, une denture à fréquence double (o'est-i-dire comportant 2 N dents par tour) de la fréquence de répétition N de la structure principale. Cette denture à fréquence double, à condition d'être convenablement calée par rapport à la structure principale, permet,par introduction d'un terme C02 d'harmonique 2 dans le couple artif i- ciel au repos,d'obtenir la loi de couple optimum définie ci-dessus; a condition toutefois que le couple naturel CO soit suffisamment faible, le moteur fonctionnera alors convenablement en pas à pas avec des impulsions de courant alternées. Si l'on désire obtenir la marche en pas à pas avec des impulsions de signe constant, il faudra en outre introduire un terme fondamental dans la loi de couple artificiel au repos, terme qui devra être en oppOsition de phase avec le courant de façon à remplacer ce dernier pendant les demi-périodes où il est absent. Ce terme C01 pourra être obtenu par divers moyens tels que réalisation d'une structure dissymétrique convenable du circuit magnétique ou superposition, à l'aimantation alternée de l'aimant, d'une aimantation obéissant à une loi prédéterminée. Tous ces moyens, dont la mise en oeuvre est à la portée de l'homme de l'art compte tenu des indications fournies dans les trois brevets susvisés, reviennent, en définitive, à augmenter l'action électromagnétique des éléments du moteur polarisés positivement par rapport à celle des éléments polarisés négativement, ou vice-versa. je courant a en effet, une action identique à celle que produit une dissymétrie du flux d'excitation agissant à chaque extrémité de la bobine du moteur, puisque, dans les deux cas, on provoque le passage d'un certain flux magnétique à travers le noyau de la bobine. On peut donc remplacer l'effet du courant, pendant les demi-périodés où il est absent, par effet dû à une telle dissymétrie du flux d'excitation. REVENDICÂTIONS 1 - Procédé d'adaptation d'un moteur synchrone monophasé à un un fonctionnement en pas à pas, caractérisé en ce qu'il comporte l'élaboration d'un couple résiduel artificiel d'origine purement magnétique, périodique en fonction de la position angulaire du rotor et ayant une phase prédéterminée par rapport à celle du couple dû au courant. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fonction périodique présente une composante fondamentale ayant, par rapport au couple dû au courant, une phase telle que, pour les positions d'équilibre stable du moteur au repos, le couple dû au courant soit voisin de son maximum. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation du moteur s'effectue par impulsions de durée notablement intérieure à la demi-période du couple dû au courant, sensiblement appliquées chacune à partir de l'une desdites posi tions -d'équilibre stable. 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fonction périodique présente une composante d'harmonique 2 dont les maxima. colncident sensiblement avec les zéros du couple dû au courant. 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite fonction périodique présente une composante fondamentale sensiblement en opposition de phase avec le couple dû au courant. 6 - Dispositif moteur faisant application du procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par l'adåonction9à un moteur eynchrone monophasé de type quelconque, d'un système polarisé magnétiquement indépendant de celui-ci, composé d'au moins une roue dentée en matériau magnétiquement doux, en mouvementrelatif on synchronisme avec le rotor dudit moteur, vis-à-vis d'un aimant annulaire. 7 - Dispositif moteur suivant la revendication 6, caractéri sé en ce que ladite roue dentée comporte un nombre de dents égal au nombre de périodes par tour que présente la loi de couple due au courant et en ce que ledit aimant présente un nombre de paires de pôles alternés égal à la moitié dudit nombre. 8 - Dispositif moteur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système polarisé comprend une roue dentée supplémentaire comportant un nombre de dents égal au double du nombre de périodes par tour que présente la loi de couple due au courant. 9 - Dispositif moteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit système polarisé présente un calage prédéterminé par rapport à la structure magnétique dudit moteur synchrone. 10 - Dispositif moteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit aimant présente un nombre de paires de pôles alternés égal à celui des périodes par tour de la loi de couple due au courant, ladite roue présentant un nombre double de dents. 11 - Dispositif moteur suivant la revendication 6, dans lequel l'un au moins des organes dudit système polarisé est constitué par une partie de la structure magnétique dudit moteur synchrone. 12 - Dispositif moteur faisant application du procédé suivant la revendication 4, comportant un moteur synchrone monophasé ayant un organe polarisé doué d'une symétrie de répétition d'ordre m, caractérisé par une denture supplémentaire comportant 2N pan par tour. 13 - Dispositif moteur faisant application du procédé suivant la revendication 5, comportant un moteur synchrone monophasé ayant un organe magnétique polarisé positivement et un organe ma gnétique polarisé négativement, caractérisé par des moyens d'augmenter l'action électromagnétique de l'un de ces deux organes par rapport à l'action électromagnétique de l'autre.