Brevet FR2172909A1 — publié le 19731005

La présente invention concerne un moteur pas à pas du type linéaire ; en ce sens, que son action motrice fournit directement une force de translation sans pour autant passer par une suite de transmissions mécaniques. Les avantages des moteurs linéaires à champ glissant sont bien connus, et leurs domaines d'application s 1étendent constamment, pour des raisons de fiabilité et de souplesse d'utilisation. Par contre, en ce qui concerne les moteurs à marche discontinue ou pas à pas; touchant des domaines différents des moteurs linéaires à champ glissant, de tels moteurs ont bien entendu les inconvénients des moteurs rotatifs. En exemple d'utilisation, on peut citer ces derniers dans les dispositifs numériques, tels que les tables à coordonnées X y. Il ne saurait être question ici de faire un exposé détaillé sur les moteurs pas à pas, dont les principes ie base sont bien connus de tous, mais de remarquer que lorsqu'il stagit de transposer cesdits moteurs rotatifs en actionneur linéaire, des problèmes de fabrication se font très nettement sentir et deviennent, de ce fait, d'un cott excessif. Selon des principes établis, il semble nécessaire, pour la réalisation d'un tel projet, d'avoir une pluralité de pôles ou encoches sur une distance correspondant au transfert à effectuer. Ces pâles ou ces encoches suivant le mode choisi, se doivent entre d'épaisseur constante et de plus équidistants. Dès lors, on peut juger des difficultés rencontrées I En effet, dans la plupart des cas on désire un pas d'avance très petit : par exemple, pour cinq phases successives, on obtient 1200 pôles ou encoches pour un transfert de 1 m. en considérant un pas d'avance de 0,2 mm. En conséquence, l'invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et se propose de réaliser un moteur linéaire pas à pas, dont les éléments constitutifs sont de structure simple et économique. Bn outre, cette structure présente l'avantage considérable de ltabsence d'une longue channe de to lérances. Selon un premier développement de l'idée inventive, ce moteur linéaire pas à pas est constitué par un induit de forme cylindrique longue en un matériau magnétiquement doux coopérant avec un ensemble inducteur de forme cylindrique creuse disposé concentriquement audit induit. Ces deux ensembles pouvant glisser par des moyens appropriés l'un par rapport à l'autre suivant une direction axiale. Ledit ensemble inducteur étantconstitué par des sous-ensesbles individuels et identiques en nombre égal à celui des phases succes sites Ce moteur linéaire pas à pas est caractérisé en ce que son enduit comporte au moins un pôle décrivant sur sa périphérie cylindrique et sur toute sa longueur un mouvement hé licotdal (sorte de vis). Ainsi en considérant une section longitudinale du moteur linéaire selon l'invention, on obtient pour l'induit un pôle passant une pluralité de fois sur un meme plan, ce qui donne, en combinaison avec les sous-ensembles inducteurs dont les pales décrivent un meme mouvement, une pluralité de pôles agissant conjointement. Chaque sous-ensemble de forme cylindrique creuse, en un matériau magnétiquement doux, est caractérisé en ce qu'il comporte sur sa surface cylindrique intérieure des pales décrivant un mouvement hélicoïdal et suivant une meme hélice. Cesdits pôles décrivent un mouvement hélicoïdal de merle pas et de meme sens que celui dudit induit. On assemble cate à côte ces sous-ensembles de façon telle que les hélices respectives décrites par les pôles de deux n-1 sous-ensembles consécutifs soient décalées de ( ) \ ième de pas (mécanique) (n) étant un nombre entier supérieur à 1 égal au nombre d'éléments inducteurs alimentés successivement. Sous lteffet d'un champ magnétique issu d'un solenoide disposé convenablement entre lesdits pales d'un sous-ensemble, tant les pôles inducteurs que la partie correspondante du pale de l'induit (agissant conjointement) sont sollicités par la force engendré, se mettent en regard l'un de l'autre et de ce fait provoquent un déplacement de la partie mobile selon une direction axiale. Selon un deuxième développement de l'invention, l'ensem- ble inducteur ainsi que ses sous-ensembles enveloppent partiellement l'induit, eu égard à des éléments support disposés le long dudit induit. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention, ressortiront mieux de la description ci-après (donnée à titre d'exemple non limitatif) et représentée dans les dessins annexés illustrant dans le cas présent deux formes de réalisationd'un moteur linéaire pas à pas à trois phases alimentées successivement, et en considérant la partie mobile comme étant celle de l'ensemble inducteur. La figure 1 représente une coupe partielle du moteur linéaire pas à pas à trois phases successives conforme à l'invention. La figure 2 représente une coupe transversale d'un sousensemble. La figure 3 représente une vue en perspective des sousensembles ainsi que leur position respective en rotation. La figure 4 est une représentation schématique illustrant le positionnement des pales entre eux dans un cycle. La figure 5 représente une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation des sous-ensembles inducteurs. La figure 6 représente une vue en bout de la figure 5. La figure 7 représente une variante de réalisation de ltin- duit. En se reportant en détail aux dessins, on voit que les formes de réalisation illustrées dans les figures de 1 à 7 comportent Sur la figure 1 un induit 8 fixe, tubulaire, cylindrique et linéaire, en acier doux. Sa longueur correspond au transfert à effectuer, et de ce fait n1 est représentée que partiellement, celui-ci étant maintenu à ses extrémités par tous moyens convenables. Sur sa périphérie et sur toute sa longueur, on prévoit une gorge 9 qui décrit un mouvement hélicoïdal de façon à constituer par la partie restante, un filet ou pôle 10. Suivant un mode de réalisation préférentiel à l'invention, il y a symétrie entre la largeur du filet et celle de la gorge.Le pas (mécanique) du filet est déterminé,d'une part, en fonction du nombre de phases successives dispoaibles, d'autre part, par le pas (dfavance) désiré de l'ensemble mobile : par la relation (P m) = (P a. n) avec (P a) comme pas d'avance et (n) le nombre de phases successives. La section du filet est carrée, mais sans pour autant sortir du cadre de l'invention ; celui-ci peut évidemment être de forme triangulaire ou trapézoîdale, et ce pour des raisons de précision, de positionnement de la partie mobile ou inductrice dont l'exposé sera fait ultérieurement. Dans la forme de réalisation du moteur linéaire pas à pas de la présente invention, qui est illustrée fig. 1, l'induit 8 se trouve recouvert par une gaine ou tube mince 11 en un matériau non magnétique qui présente un faible coefficient de frottement ; ceci dans le but d'obtenir une surface unie et d'éliminer les possibilités d'encrassement de la gorge 9. Ce tube mince étant maintenu par tous moyens convenables. L'ensemble inducteur mobile, fig. 1, comprend un carter 12 13 d'assemblage de sous-ensemble, muni de bagues de guidage 14, 1S (non détaillées) faisant appel à des principes bien établis tels que douilles à billes, spécialement conçues pour mouvement linéaire. Cet ensemble inducteur est maintenu en rotation autour de induit par un dispositif annexe (non représenté), ainsi le seul mouvement possible dudit ensemble inducteur est une trajectoire linéaire. Le carter 12, 13 approprié contient et supporte les sous-ensembles individuels 16, 17, 18 et identiques, concentriquement à l'induit avec un entrefer aussi réduit que possible. Sur la figure 2 chaque sous-ensemble inducteur, de forme cylindrique creuse, comprend deux demi-circuits 19 20 matnétiw ques en acier doux, en forme de cuvette se faisant vis à vis et étant en contact entre elles. Le logement ainsi ménagé permet de placer le bobinage inducteur 21 concentriquement à l'induit 8 (voir fig. 1) qui traverse de part en part ce sous-ensemble par un orifice 22 pratiqué sur le fond de chaque cuvette, d'un diamètre légèrement supérieur à celui de l'induit. Sur la périphérie cylindrique de cet orifice, une gorge hélicoidale est pratiquée 23 dont le sens et le pas sont les mêmes que ceux de l'induit 8. On obtient ainsi un filet ou POLIE 24. La position respective des deux cuvettes formant un sousensemble, est telle que les filets ou pôles de ces dites cuvettes Se faisant vis à vis, suivent une hélice unique. Le ait d'avoir des éléments polaires (cuvettes), dont les pôles décrivent un mouvement hélicoïdal, disposés tels que décrits permettent par une simple rotation d'un élément par rapport à un autre, de faire suivre au filet ou pôle, une hélice unique ou non en fonce tion de la position respective de ces éléments. Ainsi un repère est prévu sur chacune des cuvettes 25 (voir fig. 3) et en plaçant les repères O en regard l'un de l'autre les pôles suivent une meme hélice. De part et d'autre de ce repère 0, deux autres sont prévus à 1200. Les sous-ensembles ainsi réglés et munis de leur bobinage, sont assemblés les uns à la suite des autres concentriquement à l'induit, isolés magnétiquement entre eux par ltintermédiaire dtune rondelle 26, 27 en un matériau non magnétique. Le but de celle-ci étant de pallier aux pertes de flux entre les sous-ensembles et de servir d'organe de centrage. Le réglage des sousensembles (voir fig. 3) entre eux, est tel que les hélices respectives décrites par les piles de deux sous-ensembles consécutifs ne suivent pas la même hélice, et soient décalées de n-l 2 n ) ième de pas (mécanique) soit 3- de pas.Le fait de dis n poser de pôles décrivant un mouvement hélicoidal, permet par une rotation des cuvettes sur elles-mêmes, de provoquer ce décalage, ce qui donne : e = [2 b 0 ( n-1) ième], Q étant l'angle de rotation (dans le sens de l'hélice) à effectuer sur chacun des sous-ensembles par rapport au précédent, les pôles des sousensembles inducteurs étant considérés à ltorigine sur une meme hélice. Car dans le cas contraire &commat; # devient devisent égal à[2 b . 1 n-1 ê ] .I1 est bien évident que pour un pas d'avance non constant Q varie pour chaque sous-ensemble et prend la forme : E # = 2 b Pour des raisons pratiques et particulièrement dans levas d'un nombre important de sous-ensembles, il est préférable que l'angle de rotation s'effectue en sens inverse de l'hélice, ce qui 1 1 donne 2 # . ( n ) soit 2 # ( 3 ) = 120 . Ainsi le repère O du sous-ensemble 16 coïncide avec le repère 1200 du sous-ensemble 17 et ce dernier coïncide avec le repère 2400 du sous-ensemble 18. Une rainure de clavetage est prévue 28 positionnant solidement après réglage les sous-ensembles entre eux par l'inter- médiaire d'une clavette 29 (voir fig. 1). Suivant une variante de réalisation des sous-ensembles inducteurs (voir fig. 5) ces derniers enveloppent partiellement l'induit et laissent un passage à des éléments support 31, 32 disposés le long de l'induit 8 dans un plan passant par son axe longitudinal, entre les limites du transfert à effectuer eu égard à la longueur importante de celui-ci. Les éléments polaires 33, 34 (voir fig. 6) d'un sous-ensemble inducteur sont disposés concentriquement de part et d'autre du diamètre de l'induit et correspondent à des secteurs de cylindre creux. Chacune de leurs surfaces intérieures comportent un pôle décrivant un mouvement hélicoïdal suivant une même hélice. Cette dernière étant de même sens et de même pas que celle de l'induit 8. Chacun de ces secteurs 33, 34 se prolonge à 1 t opposé des éléments support 31, 32 de 11 induit 8 parallèlement à leur axe. Dans ltespace ainsi ménagé, un sole noise inducteur 35 est disposé transversalement à l'induit. Ce dit solenoide engendre lors de son excitation un champ magnétique entre les pôles inducteurs et le pôle de l'induit. Les sous-ensembles ainsi constitués sont assemblés dans un carter approprié, non représenté, les uns à la suite des autres et concentriquement à l'induit (voir fig. 5),une entretoise en un matériau non magnétique 36, 37 est disposée entre ceux-ci afin de pallier aux pertes de flux. L'épaisseur de cette entretoise est telle, que les hélices respectives de deux sous-ensembles consécutifs soient décalées de (n-l) ième de pas soit (2) de pas. Suivant une variante de réalisation (voir fig. 7) la gorge hélicoidale 38 de 11 induit 8 est garni d'un matériau non magnétique, à titre d'exemple, un plastique. Ceci bien entendu, restant également v alable pour les gorges des sous-ensembles inducteurs. Suivant un autre mode de réalisation de l'induit ainsi que des sous-ensembles inducteurs, ceux-ci peuvent être obtenus à partir d'un procédé de moulage, de frittage de poudre métallique, telle que ferrite. I1 est évident que le fonctionnement d'un tel moteur n'est pas conditionné par une forme définie de courant d'excitation, mais au contraire, est apte à recevoir des courants de formes quelconques pris isolément ou en combinaisons. Le fonctionnement du moteur linéaire pas à pas est le suivant : dans un premier temps, le courant circule dans l'en- roulement du sous-ensemble 16 (voir fig.l), le flux magnétique qui en est issu suit en trajet matérialisé par des lignes interrompues 30. Le champ magnétique issu des pales (SE16) (SE16') du sous-ensemble 16 maintient ceux-ci en regard de la partie correspondante 116 du pôle hélicoïdal de l'induit 8, illustration schématique figure 4. Pour faciliter la comprEhension du fonctionnement, ainsi que du dessin, une petite partie du sousensemble est représentée, elle correspond à une section de spire d'un pôle du sous-ensemble 16 (voir fig. 1) repère (SE16). On constate également le décalage du pôle de l'inducteur (SE17) de 2 de pas. 3 Au premier temps (tl) (voir fig. 4) on constate que l'un des pôles (SE16) du sous-ensemble 16 se trouve en regard de la partie correspondante (I 16) du pôle de l'induit. Si maintenant on excite l'enroulement correspondant à (SE17) et que l'on coupe l'excitation de (SE16) la force engendrée par le champ magnétique issu de SE17 tend à mettre ce dernier en regard de la spire polaire de l'induit la plus proche I 17), ainsi dans un deuxième temps (t2) (SE17) est en regard de la partie correspondante (I 17) du pôle de l'induit, par suite, on excite l'enroulement correspondant à (SE18) et l'on coupe l'excitation de (SE17) celui-ci tend vers la spire polaire la plus proche (! 18), ainsi dans un troisième temps (t3) (SE18) est en regard de la partie correspondante (I 18) du pôle de l'induit. Le méme processus s'établiiavec le sous-ensemble 16, ainsi on peut faire avancer l'ensemble inducteur pas à pas le long de son induit, en excitant successivement les enroulements inducteurs dans un ordre défini ci-dessus. Pour inverser le sens de marche, en considérant comme position d'origine le sous-ensemble 16 les excitations seront successivement (SE18) puis (SE17) et (SE16) etc... REVENDICATIONS 10 Moteur linéaire pas à pas caractérisé en ce que l'induit cylindrique, comportant au moins un pôle décrivant un mouvement hélicodal, coopère avec un ensemble inducteur caractérisé en ce que l'on assemble côte à côte et concentriquement audit induit des sous-ensembles individuels cylindriques creux comportant sur leur surface cylindrique intérieure des pôles décrivant un mouvement hélicoïdal de même sens et de même pas que celui dudit induit. Chaque sous-ensemble étant décalé par rapport au précédent de (n;;l) ième de pas.Sous l'effet d'un champ magnétique issu de solenoîdes disposés entre les pôles des sousensembles inducteurs, tant les pôles inducteurs, que la partie correspondante du pale de l'induit, sont sollicités par la force engendrée et se mettent en regard ltun de l'autre, provoquant un déplacement par pas successifs de la partie mobile selon une direction axiale. 20 Moteur linéaire pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'induit cylindrique en un matériau maw gnétiquement doux comporte sur sa périphérie et sur toute sa longueur au moins un pôle décrivant un mouvement hélicoedal, 3 Moteur linéaire pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on assemble côte à côte suivant la direction de l'induit, et concentriquement à lfiivmeme, des sousensembles individuels en nombre égal à celui des phases succes sites. 40 Moteur linéaire pas à pas selon la revendication 1 ou 9 caractérisé en ce que chaque sous-ensemble cylindrique creux en un matériau magnitiquement doux, comporte sur sa surface cylindrique intérieure des pôles décrivant un mouvement hélicoïdal et suivant une même hélice. 50 Moteur linéaire pas à pas selon la revendication 1 ou 4 caractérisé en ce-que les pales des sous-ensembles décrivant un mouvement hélicoïdal soient de même pas et de meme sens que celui dudit induit. 60 Moteur linéaire pas à pas selon la revendication 1 ou a CAractérisé en ce que l'on assemble côte à côte lesdits sousensembles de façon telle que les hélices respectives que décrivent les pôles de deux sous-ensembles consécutifs soient décalées de (n 1) ième de pas (mécanique), (n) étant un nombre n entier supérieur à I égal au nombre de sous-ensembles inducteurs alimentés successivement.