Brevet FR2230112A1 — publié le 19741213

L'invention se rapporte dXune manière générale aux machines tournantes pour la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique, ou inversement, et concerne plus particulièrement un moteur pas à pas de type magnétostatique à entrefer axial 'tes moteu du type concerné déjà connlndans la technique sont généralement essentiellement constitués d'un rotor plan à aimantation permanente présentant une couronne de plesmagnétiques alternés et d'un stator comportant en regard dudit rotor une couronne d'organes inducteurs sélectivement excités en mode impulsionnel par des moyens de commutation interne et/ou externe Ges moteurs ont pour avantage de posséder une structure simple et robuste, d'entre peu coûteux à fabriquer, et de pouvoir fonctionner pas à pas avec sûreté. Toutefois, ces avantages stamenuisent considérablement lorsque le nombre de pas à effectuer sur chaque tour devient relativement important, et par exemple supérieur à quelques dizaines. En outre, ces moteurs simples et robustes requièrent en général des moyens de commutation complexes et fragiles, qui en limitent les capacités d'emploi et les possibilités de miniaturisation. L'invention a donc pour objet de pallier les inconvénients susmentionnés des réalisations antérieurement connues tout en préservant leurs avantages, par la réalisation d1un moteur de structure simple et robuste, capable d'effectuer avec sûreté un grand nombre de pas par tour et ne requérant que des moyens de commutation simples et fiables, A cet effet, un moteur conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce que son rotor comprend un unique aimant permanent annulaire polarisé axialement et enserré entre deux flasques annulaires en matériau magnétique doux solidaires d'un même axe et pourvus chacun de (3p) ailettes radiales extérieures identiques et régulièrement espacées, les ailettes des deux flasques étant ramenées dans un même plan radial et mutuellement imbriquées de manière à constituer une couronne plane présentant (6p; p8les magnétiques alternés, et en ce que son statu d'un moyeu dans lequel tourillonne l'axe du rotor et pourvue de (4p) ailettes radiales extérieures régulièrement espacées portant respectivement autant d'électroaimants inducteurs identiques dont chacun comprend un noyau axial entouré d'un bobinage et terminé par une pièce polaire plane disposée radialement en regard des ailettes du rotor, lesdits électroaimants étant électriquement couplés en alternance à l'un et à l'autre de deux circuits d'excitation distincts alternativement alimentés par lesdits moyens de commutation. Ainsi, un moteur conforme à l'invention comporte un rotor de structure extrêmement simple et un stator essentiellement constitué d'éléments identiques faciles à réaliser; c'est dire que sa fabrication est peu conteuse, même en petite série. La plupart des éléments du moteur peuvent en pratique être réalisés en acier, ce qui lui confère une structure très robuste. Be rapport spécifié (3/2) entre les nombres de poules rotoriques et statoriques permet d'obtenir douze pas par tour pour le moteur le plus simple, dont le stator ne comporte que quatre électroaimants inducteurs, et de réaliser commodément des moteurs effectuant à chaque tour un nombre de pas égal à un multiple quelconque de douze Enfin, tous les électroaimants inducteurs étant couplés à deux circuits devant être alimentés en alternance, le moteur peut comporter des moyens de commutation d'agencement très simple et de fonctionnement siir, Selon d'autres caractéristiques du moteur conforme à l'invention, le bobinage de chaque électroaimant inducteur peut être formé ou bien d'un unique enroulement couplé à l'un des circuits d'excitation précités, lequel est alternativement alimenté sous deux polarités opposées par les moyens de commutation précités, ou bien de deux enroulements de sens de couplage opposés respectivement couplés à deux branches distinctes de l'un des circuits d'excitation précités, lesquelles sont alternativement alimentées sous la mAeme polarité par les moyens de commutation précités. Ce dernier agencement, au prix d'une légère complication de structure et d'une faible perte de couple, permet de simplifier encore l'agencement des moyens de commutation associés au moteur0 Ces moyens de commutation peuvent être indifféremment de type électromécanique, et dans ce cas incorporés au moteur pour en assurer la commutation interne, ou bien être constitués par des générateurs d'impulsions, de nature électrique ou électronique, assurant la commande du moteur par commutation externe. Dans les deux cas, il est facile d'associer au moteur des moyens d'asservissement en assurant l'arrêt dans une position angulaire prédéterminée ou à l'issue d'un nombre de pas déterminé. D'autres caractéristiques et avantages du moteur conforme à l'invention appara1trontplus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un moteur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus du moteur de la figure 1 dont certains éléments sont omis; - les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant deux variantes d'exécution de moyens de commutation électromécaniques susceptibles d'entre incorporés au moteur des figures 1 et 2; - la figure 5 est un schéma montrant des moyens électroniques pour la commutation externe du moteur des figures 1 et 2; et - la figure 6 est un diagramme explicatif du ftnctionnement d'un moteur conforme à l'invention. Be moteur représenté respectivement en coupe et en vue de dessus sur les figures I et 2 comprend essentiellement un rotor 10 et un stator 20 portés par une platine 30, ainsi que des moyens 40 de commutation électromécanique interne. Be rotor 10 est essentiellement formé d'un aimant annulaire 11 par exemple en ferrite ou autre matériau magnétique à forte induction rémanente et champ coercitif élevé, polarisé axialement comme l'indiquent les ploies nord N et sud S portés sur la figure 1, et axialement enserrés entre deux flasques annula.ires 12N, 12S faits de tôles d'acier ou autre matériau magnétique doux. Ces deux flasques sont solidarisés d'un arbre axial 13 pourvu d'un épaulement et d'un circlip qui ansstent en butée axiale respectivement le flasque 12S et le flasque 12N, dont clla est pourvu à sa périphérie intérieure d'un ergot engagé dans une rainure axiale de l'arbre 15 pour assurer le calage angulaire du rotor 10 sur ce dernier.A sa périphérie extérieure, chacun des flasques 12N, 12S, comporte une portion cylindrique rabattue autour de l'aimant 11, et une série d'ailettes 14N, 14S identiques et régulièrement espacées, les ailettes des deux flasques étant situées dans un même plan et mutuellement imbriquées; à cet effet, chaque ailette est avantageusement délimitée par des arêtes radiales et séparée des ailettes adjacentes du même flasque par un intervalle légèrement supérieur à l'écart angulaire entre lesdites arêtes. De la sorte, le rotor 10 est pourvu à sa périphérie d'une couronne radiale plane de poules magnétiques alternés dont le nombre total, conformément à un aspect essentiel de l'invention, est un multiple entier de six. le stator 20 comprend une culasse annulaire plane 21 faite de tôle d'acier ou autre matériau magnétique doux, qui est fixée sur la platine 30, faite d'un alliage léger, dune matière plastique ou d'un autre matériau amagnétique. La périphérie intérieure de la carcasse 21 est solidaire d'un moyeu 22 dans lequel tourillonne la tête de l'arbre 13 du rotor 10, porté par une butée à billesagencée en bout dudit moyeu0 La périphérie extérieure de la carcasse 21 est découpée de manière à comporter une série d'ailettes radiales 23 dont chacune porte un électroaimant désigné dans son ensemble par 24. Conformément à un aspect essentiel de l'invention, le nombre de ces électroaimants 24, et par suite celui des ailettes 23 de la carcasse 21, est égal à un multiple entier de quatre, choisi de manière que le rapport du nombre des ailettes 14 du rotor 10 à celui des électroaimants 24 du stator 20 soit égal à 3/2. Chaque électroaimant 24 comprend un noyau axial 25 pourvu d'une part d'un prolongement tubulaire rivé dans une ouverture pratiquée dans l'ailette 23 correspondante de la carcasse 21, et d'autre part d'une pièce polaire 26 sensiblement de m8me forme que les ailettes 14 du rotor 10 et située dans un plan radial immédiatement voisin de celui desdites ailettes, de manière à délimiter avec ces dernières un entrefer axial de très faible hauteur, mais de largeur radiale aussi grande que possible et de développement angulaire constant, toutes dispositions favorables à la production d'un couple important. Chaque électroaimant 24 comporte en outre et bien entendu un bobinage 27 formé sur un mandrin isolant enfilé sur le noyau 25 et axialement serré entre sa pièce polaire 26 et l'ailette correspondante 23 de la carcasse 210 Dans l'exemple de réalisation du moteur illustré par la figure 1, les moyens de commutation 40 comprennent une plaque isolante 41 solidarisée de la platine 30 par des entretoises 31 et sur la face interne de laquelle sont imprimés des circuits coopérant avec des contacts mobiles 42 solidaires du rotor 10. L'agencement des circuits imprimés sur la plaque 41 ainsi que le nombre et la fonction des contacts mobiles 42 dépendent évidemment du mode d'utilisaion du moteur (fonctionnement pas à pas autonome par commutation interne, commande par commutation externe, commande asservie, ...) et ne seront donc pas décrits en plus de détail. On remarquera seulement que la plaque de circuits imprimés 41 peut eAtre pourvue d'un prolongement 43 faisant office de connecteur pour l'alimentation du moteur ou son raccordement à des moyens extérieurs de commutation ou d'asservissement. Plusieurs exemples de moyens de commutation sont schéma tiquement illustrés par les figures 3, 4 et 5.Sur ces trois figures, le moteur n'est représenté que par quatre bobinages d > électro- aimants inducteurs, symbolisés par des blocs, mais il est bien entendu qu'il répond aux caractéristiques déjà mentionnées et qutil pourrait comporter un plus grand nombre d'électroaimants inducteurs, égal à un multiple quelconque de quatre, couplés à ceux représentés par simple répétition du schéma, comme le suggère l'interruption en traits mixtes. Sur la figure 3, chaque électroaimant inducteur est supposé etre pourvu d'un bobinage constitué par un enroulement simple E E2, E3, E4. Ees bobinages E1, E3 et E2, E4 des deux paires d'électroaimants non adjacents sont respectivement insérés dans deux circuits d'excitation distincts I, II, les bobinages ainsi montés en série présentant des sens de couplage opposés0 les circuits d'excitation I, II sont respectivement reliés aux paires de contacts fixes diamétralement opposés G1, C3 et C2, C4 Z'ar commutateur rotatif entralné par le rotor R du moteur et pourvu de deux balais E+, B- diamétralement opposé s et respectivement reliés au pôle positif et au pôle négatif d'une source de tension E. Du fait de cet agencement et pour la position représentée des balais B+, B-, les enroulements E1, E3 montés en série sont simultanément alimentés et engendrent des champs magnétiques de sens opposés, tandis que les enroulements E2, E4 des électroaimants intercalaires ne sont pas alimentés.Pour des raisons qui apparattront ci-après, les champs magnétiques ainsi créés font tourner le rotor R du moteur qui amène les balais B+, B- respectivement sur les contacts fixes C2, C4 du commutateur. il s'ensuit que l'alimentation des enroulements E1, E3 est interrompue, tandis que les enroulements E2, E4 désormais alimentés engendrent des champs magnétiques respectifs de sens opposés Ces champs provoquent une nouvelle rotation du rotor du moteur et par suite des balais B+, B-, qui sont amenés dans une position inverse de celle représentée sur la figure, et par suite engagent respectivement les contacts fixes C3, C10 Il s'ensuit que les enroulements E1, E3 sont à nouveau alimentés, mais sous une polarité inverse, tandis que l'alimentation des enroulements E2, E4 est à nouveau interrompue. Les champs magnétiques inversés engendrés par les enroulements E1, E3 provoquent une nouvelle rotation du rotor, qui entraîne l'interruption de l'alimentation de ces mêmes enroulements et le rétablissement de l'alimentation des enroulements E2, E4, mais sous une polarité inverse de la précédente. La rotation consécutive du rotor ramène les balais B+, B- dans leur position initiale, et le même cycle se reproduit. Au total, il apparalt donc que les enroulements non adjacents respectivement reliés auxcircuits d'excitation I, II sont alimentés tour à tour, et ce sous une polarité chaque fois inversée. Be montage de la figure 4 permet d'obtenir le même résultat par des moyens de commutation plus simples. A cet effet, le bobinage de chaque électroaimant inducteur est constitué de deux enroulements distincts E1E11, E'2-E", ..0, par exemple obtenus par bobinage d'un fil double, et dont les sens de couplage saint mutuellement opposés0 'tes enroulements correspondants E'1, E'3 des électroaimants non adjacents sont insérés dans une même branche I' d'un premier circuit d'excitation, dont une autre branche I" inclut les autres enroulements E"1, E"3 de ces memes électroaimants. 'tes enroulements E'2, E'4 d'une part et E"2, E"4 d'autre part des électroaimants intercalaires sont eux-mêmes respectivement insérés cans deux branches distinctes II', II" du second circuit d'excitationO Bes deux branches d'un meme circuit sont reliées à deux contacts fixes diamétralement opposés C1 -C3, C -G d'un commutateur rotatif entraîné par le rotor R du moteur et comportant un unique balai B relié à l'un des piles d'une source de tension dont l'autre p81e est relié aux extrémités opposées de toutes les tranches des circuits. Cet agencement, qui complique légèrement la. construction des électroaimants inducteurs et en réduit le rendement, a par contre pour avantage de simplifier notablement les moyens de commutation. A la différence des figures 3 et 4, qui illustrent des moyens électromécaniques de commutation interne d'un moteur conforme à l'invention, la figure 5 illustre des moyens électroniques pour la commutation externe d'un tel moteur. Sur cette figure 5, l'agencement et le couplage des bobinages des électroaimants inducteurs est semblable à celui de la figure 3o Bes deux circuits d'excitation distincts I, II sont respectivement alimentés par dieux générateurs électroniques G1, G2 couplés à un même bloc d'alimentation et de synchronisation GO, et qui fournissent respectivement des signaux en créneaux symétriques iI, iII identiques mais décalés arun quart de période.Par cet artifice, la rotation du moteur s'effectue dans les mêmes conditions qu'avec les montages des figures 3 et 4. Les générateurs G1, G2 peuvent bien entendu être de tout type approprié, et par exemple Aetre constitués par des bascules alimentées en courant continu et commandées par des circuits logiques, ou encore par des amplificateurs-écrêteurs respectivement alimentés par des tensions sinusoldales déphasées dtun quart de période La figure 6 est un diagramme explicatif du fonctionnement d'un moteur ou d'une fraction de moteur conforme à l'invention, dont le rctor R comporte six pôles magnétiques alternés et le stator S quatre électroaimants inducteurs E1 -E4.Sur la figure 6, le rotor R et le stator S du moteur ainsi constitué sont symboliquement représentés en vue latérale périphérique de'Joppée. Pour des raisons évidentes de symétrie, les flux nord et sud engendrés par les six pôles magnétiques du rotor R à travers les armatures des électroaimants du stator S sont toujours égaux et de valeur invariable, mais sont répartis aussi également que possible entre lesdits pôles et lesdits électroaimants pour la position angulaire (0) représentée ou pour l'une quelconque de onze autres positions équivalentes. Lorsqu'aucun électroaimant n'est excité, le rotor est donc fermement maintenu dans l'une de ces positions par cet effet d'équipartition des flux et donc de moindre réluctance. On supposera qu'à l'instant initial t0 les enroulements E1, E3 sont alimentés et engendrent respectivement des champs magnétiques nord et sud. En conséquence, le rotor R prend la position représentée, pour laquelle l'un denses pôles sud S est situé en vis-à-vis de l'électroaimant E1 et l'un de ses pôles nord N non immédiatement adjacent en vis-à-vis de l'électroaimant E3. Be pale nord Ng précédent le p81e sud ainsi immobilisé sera pris comme repère. A l'instant t1 (0)' les moyens de commutation coupent l'alimentation des enroulements E1, E3 et établissent celle des enroulements 22 E4 qui engendrent respectivement les champs magnétiques de la polarité indiquée. Chacun de ces enroulements exerce donc sur les pôles nord et sud N, S du rotor immédiatement adjacents des actions d'attraction et de répulsion, symbolisées par des flèches obliques, dont la somme exerce sur le rotor un couple moteur qui l'amène dans la position représentée pour l'instant t1. Comme indiqué, cette première commutation a fait progresser le rotor d'un pas élémentaire P1 égal à un quart du pas rotorique ou un sixième du pas statorique. Une nouvelle commutation coupant l'alimentation des enroulements E2, E4 et rétablissant celle des enroulements E1, E3 de manière qu'ils engendrent les champs magnétiques indiqués fait à nouveau prcgresser le rotor dans le même sens d'un second pas élémentaire p2 pour l'amener dans la position indiquée pour l'instant t2. Les commutations consécutives font de manière similaire progresser le rotor d'un troisième pas élémentaire p3 entre les instants t2 et t3, et d'un quatrièmepas élémentaire p4 entre les instants t3 et t4 On remarquera qu'à ce dernier instant, le rotor se retrouve dens une position semblable à celle qui il possédait à l'instant t0, à ceci près qu'il a progressé dwune paire de pôles, Be rotor comportant si.:: pôles, le cycle d'opération doit donc astre répété trois fois pour que le rotor ait effectué, à l'instant t12, une rotation complète le ramenant exactement dans sa position initiale. G'est dire qu'un tour complet d'un moteur à six pôles rotoriques et quatre pâles statoriques s'effectue en douze pas élémentaires, et qu'un moteur comportant n fois autant de pôles effectuera une rotation complète en n x douze pas0 Quel que soit le nombre de pôles du moteur, ces pas élémentaires sont nécessairement égaux par construction et délimités par des positions angulaires précises, en raison de la distribution et de la configuration particulières des ailettes du rotor et des pièces polaires des électroaimants du stator.Au cours de chaque pas, la moitié des électroaimants inducteurs du stator et les deux tiers des pôles magnétiques du rotor contribuent à la création du couple, qui peut donc être relativement élevée. I1 s'ensuit que le moteur conforme à l'invention est capable d'une progression pas à pas précise, se et puissante. Comme cette progression peut par ailleurs être facilement commandée par commutation interne ou externe, commande extérieure et/ou asservissement, le moteur conforme à l'invention est susceptible de très larges applications dans des domaines techniques très variés Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré, qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés, considérés séparément ou en combinaison et mis en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. - R E V E N D I C A T I O N S 1. - Moteur pas à pas réversible du type magnétostatique à entrefer axial , essentiellement constitué d'un rotor plan à aimantation permanente présentant une couronne de pôles magnétiques alternés et d'un stator comportant en regard dudit rotor une couronne d'organes inducteurs sélectivement excités en mode impulsionnel par des moyens de commutation interne et/ou externe, caractérisé en ce que son rotor (10) comprend un unique aimant permanent annulaire (11) polarisé axialement et enserré entre deux flasques annulaires (12N, 12S) en matériau magnétique doux solidaires d'un même axe (13) et pourvus chacun de (3p) ailettes radiales extérieures (14N, 14s) identiques et régulièrement espacées, les ailettes des deux flasques étant ramenées dans un même plan radial et mutuellement imbriquées de manière à constituer une couronne plane présentent (6p) pôles magnétiques alternés, et en ce que son stator (20) comprend une carcasse annulaire plane (21), en matériau magnétique doux solidaire d'un moyeu (22) dans lequel tourillonne l'axe du rotor et pourvue de (4p) ailettes radiales extérieures (23) régulièrement espacées portant respectivement autant d'électroaimants inducteurs identiques (24) dont chacun comprend un noyau axial (25) entouré d'un bobinage (27) et terminé par une pièce polaire plane (26) disposée radialement en regard des ailettes du rotor, lesdits électroaimants étant électriquement couplés en alternance à l'un et à l'autre de deux circuits d'excitation distincts alternativement alimentés par lesdits moyens de commutation (40). 2.- Mqteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électroaimants (24) consécutifs non adjacents couplés à un même circuit d'excitation engendrent simultanément des champs magnétiques de polarités alternées. 3.- Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bobinage de chaque électroaimant inducteur (24) est formé d'un unique enroulement (E 4) couplé à l'un des circuits d'excitation (I, II) précité lequel est alternativement alimenté sous deux polarités opposées par les moyens de commutation précités. 4.- Moteur selon la revendication 2,caractérisé en ce que le bobinage de chaque électroaimant inducteur est formé de deux enroulements (E' 1,4) de sens de couplage opposés respectivement couplés à deux branches distinctes (I', I"-II'-II") de l'un des circuits d'excitation précités, lesquelles sont alternativement alimentées sous la même polarité par les moyens de commutation précités. 5.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ailettes des flasques de rotor, les pièces polaires des électroaimants inducteurs et éventuellement les ailettes de la carcasse du stator présentent des arêtes radiales de même écartement angulaire. 6.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les flasques (12nu 12S) du rotor (10) et la carcasse (21) du stator (20) sont formés par découpage et emboutissage éventuel de flans de tôle d'acier 70- Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commutation (40) comprennent des contacts mobiles (42) solidaires du rotor (10) coopérant avec des circuits imprimés sur une plaque isolante (41) associée au stator (20) ou avec tout autredispositif collecteur, 8.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de commutation précités comprennent deux générateurs synchronisés (G1, G2) fournissant respectivement des signaux en créneaux symétriques décalés d'un quart de période.