Brevet FR2249475A1 — publié le 19750523

La présente invention est relative à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n, 304.885 déposée le 8 novembre 1972 au nom de la demanderesse (demande de brevet français n" 73 33.311 déposée le 17 septembre 1973 sous le titre "moteur électrique miniature pour montre"). Elle concerne les moteurs électriques miniatures commandés par impulsions et plus particulièrement ceux possédant un couple de démarrage élevé et une faible consommation d'énergie qui sont utilisés pour les mouvements de montre, ainsi qu'un dispositif pour arrêter le rotor à une position désirée, et l'un des buts de l'invention est de procurer des moteurs miniatures perfectionnés de ce type. Les moteurs électriques pour mouvements de montre sont par leur nature même des organes très petits, ayant généralement des dimensions hors tout de l'ordre de quelques millimètres. Les moteurs miniatures pour montres sont connus mais la plupart d'entre eux, sinon la totalité, présentent certains problèmes d'assemblage, de démontage, de rendement et de couple. L'invention apporte des solutions efficaces et simples à ces problèmes et crée un moteur sous forme d'une unité complète et séparée de la montre, ne nécessitant aucun assemblage lors de sa mise en place dans une montre, ni aucun cablage. Le moteur peut simplement etre enfiché dans le circuit imprimé ou d'autres éléments de la montre, aucune connexion électrique particulière n'étant à faire. Le moteur est maintenu en place de façon positive dans le mouvement de montre et différentes méthodes de fixation ou de montage du moteur dans la montre sont possibles. L'invention crée un moteur électrique miniature commandé par impulsions du type indiqué ci-dessus, qui est facile à fabriquer, qui peut entre monté facilement dans un mouvement de montre, dont les démarrages sont produits de façon sûre, et dont le mouvement s'arrête au même point dans chaque cycle. La fabrication des moteurs selon L'invention est en outre peu coûteuse et leur fonctionnement est efficace. Selon un mode de mise en oeuvre de l~'invention, un moteur miniature pour un mouvement d'horlogerie comprend : un stator non magnétique ayant une cavité cylindrique centrale d'un diamètre déterminé et d'une dimension longitudinale déterminée, deux disques de fermeture relativement rigides, non magnétiques, fixés par leurs pourtours au stator pour fermer la cavité cylindrique et définir une chambre et pour augmenter la rigidité de l'ensemble des disques et du stator, des paliers disposés sur l'axe passant par les centres des disques, un arbre monté dans ces paliers, un aimant permanent ayant un pôle nord et un pôle sud monté sur l'arbre à l'intérieur de la chambre, des rainures longitudinales et transversales ménagées dans le stator à l'extérieur de la cavité et des disques de fermeture, l'agencement étant tel que la dimension transversale des rainures augmente en direction du diamètre de la cavité, des enroulements disposés dans les rainures pour établir un champ magnétique ayant une direction déterminée, une culasse annulaire à perméabilité élevée et à faible rémanence qui entoure le stator et qui est attachée à celui-ci de manière que cette attache n'engendre pas de contraintes, et un dispositif destiné à créer une polarisation magnétique pour arrenter le rotor à une position déterminée et comprenant un dispositif formant des pôles qui est attaché à la paroi interne de lå culasse annulaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif formant des pôles comprend deux tiges en fer doux diamétralement opposées qui sont attachées à la paroi interne de la culasse annulaire et disposées sous un angle par rapport à la normale à la direction du champ magnétique pour former ainsi un dispositif de polarisation destiné à arrenter le moteur à la même position après chaque excitation des enroulements et pour réduire le couple de démarrage que le moteur doit développer lorsqu'il reçoit une excitation de démarrage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel et à grande échelle d'un moteur selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en élévation prise à peu près dans le sens des flèches 2- de la figure 1, mais à plus petite échelle; - la figure 3 est une vue en élévation prise à peu près dans le sens des flèches 3-3 de la figure 2; - la figure 4 est une vue en plan et partiellement en coupe d'un des composants du moteur selon l'invention; - la figure 5 est une vue en élévation prise à peu près dans le sens des flèches 5-5 de la figure 4; et - la figure 6 est une vue en élévation latérale et partiellement en coupe, prise à peu près dans le sens des flèches 6-6 de la figure 5. Le moteur représenté sur les dessins est désigné dans son ensemble par 10 et se compose grossièrement d'un stator Il et d'une partie tournante 12. Le stator comprend une culasse annulaire 13, un support d'enroulement ou bobine 14 formant en meme temps le support de l'ensemble du moteur, des enroulements 15 et 16 et des flasques 17 et 18 dans lesquels sont formés les paliers pour l'arbre. La partie tournante 12 se compose d'un rotor 19, qui peut avoir la forme d'un disque, et d'un arbre 21 qui est attaché au centre du rotor 19 par un adhésif, par exemple par une résine époxy.Le rotor 19 peut Entre en n'importe quel alliage magnétique connu à intensité d'aimantation élevée et à perméabilité élevée, par exemple en un alliage de samarium et de cobalt, et il est aimanté de manière qu'il présente un ptle nord et un pôle sud aux extrémités opposées d'un diamètre particulier. On peut utiliser dans certains cas un aimant en barreau ordinaire à la place d7un aimant discorde. La bobine 14, voir également les figures 4, 5 et 6, est formée d'une seule pièce moulée selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Elle peut être en Nylon, chlorure de polyvinyle ou toute autre matère synthétique ayant une stabilité dimensionnelle et une rigidité suffisantes pour cette application. La matière doit etre non magnétique et, dans certains cas, on peut utiliser aussi du laiton ou dve l'aluminium, par exemple, bien qu'il soit nécessaire dans ce cas d'anodiser ces métaux pour former une surface isolante afin d'éviter des courts-circuits dans ou entre les enroulements finalement disposés sur la bobine. La bobine 14 est une piece généralement cylindrique présentant une cavité cylindrique centrale 22 pour la réception du rotor 19 avec un jeu suffisant entre la paroi de la cavité 22 et la surface extérieure du rotor 19. D'un côté d'un plan axial imaginaire (qui est orienté horizon talement dans l'exemple beprésenté), la bobine 14 présente des rainures transversales 23 et 24 (figure 6) et des rainures longitudinales 27 et 28 (figure 5), tandis que des rainures transversales 25, 26 et des rainures longitudinales 29 et 31 sont formées dans la partie de la bobine 14 située de 1 'autre côté de ce plan axial, c'est-à-dire sur la partie représentée en bas sur les figures et notamment les figures 5 et 6. Les rainures 23, 24 et 27, 28 forment ensemble une encoche de bobinage dans laquelle est formé ou disposé un enroulement 15 (figure 2), et les rainures 25, 26 et 29, 31 forment ensemble une deuxième encoche de bobinage dans laquelle est formé ou disposé un enroulement 16. Les surfaces intérieures ou fonds 68, 69 et 71, 72 des rainures 23, 24 respectivement 25, 26 sont parallèles, comme cela ressort le mieux de la figure 6, mais les fonds 32 et 33 des rainures 27 et 28, voir la figure 5, sont inclinés l'un par rapport à l'autre et sont en fait orientés tangentiellement à la surface cylindrique de la cavité 22. Cette obliquité des fonds 32, 33 des rainures 27 et 28 permet de loger dans celles-ci un plus grand nombre de spires de fil que dans des rainures semblables ayant des fonds parallèles. L'augmentation de l'espace d'enroulement utile ressort clairement de la comparaison des parties hachurées plus foncées 20 et des parties hachurées plus claires 30 sur la figure 2. L'obliquité des fonds 32 et 33 permet en outre d'approcher l'enroulement davantage de la paroi cylindrique de la cavité 22, donc également de la surface extérieure du rotor magnétique 19 disposé dans cette cavité. On obtient ainsi un circuit magnétique ayant moins de pertes. Le moteur est de ce fait capable de développer un couple plus élevé ou une plus grande puissance à la sortie pour la même puissance à l'entrée. Les rainures 29 et 31 possèdent également des zends inclinés 34 et 35, et l'encoche d'enroulement formée par les rainures 25, 26 et 29, 31 peut donc également recevoir davantage de spires pour les raisons indiquées ci-dessus. L'obliquité des fonds 32, 33 et 34, 35 permet de loger dans les encoches environ 20% plus de spires que dans les encoches prévues jusqu'à présent dans ce type de moteurs. La cavité cylindrique 22 se raccorde à chaque extrémité axiale à un chambrage circulaire 36, respectivement 37 (figure 6) qui est destiné à recevoir la partie discorde ou joue 38, respectivement 39 du flasque 17 respectivement 18, comme décrit plus en détail dans ce qui va suivre. La formation dans la bobine 14 des rainures d'enroulement 23, 24 et 27, 28 respectivement 25, 26 et 29, 31 laisse subsister sur la bobine deux parties 41 et 42 en forme de segments et deux parties 43 et 44 ayant en section transversale la forme de bossages radiaux. Dans les extrémités axiales des segments 41 et 42 sont formées des découpes radiales 47 et 48 pour la réception des extrémités 49 et 51 de broches de connexion 52 et 53. Les extrémités élargies 49 et 51 des broches sont emmanchées à force dans des trous 54 et 55 formés dans les segments 41 et 42. Les bossages 43 et 44 -présentent chacun un trou 56 ou 57 pour le passage de vis de fixation pour le cas où l'on désire fixer le moteur de cette manière. Le flasque 17 comprend une partie en forme de manchon 58, la partie discorde ou joue radiale 38 de grand diamètre dont il a déjà été question et qui se raccorde à angle droit à la partie 58 à une des extrémités de celle-ci et, à l'extrémité opposée, un rebord intérieur 59 de plus petit diamètre qui constitue par sa surface intérieure centrale le palier pour l'une des extrémités de l'arbre 21. De façon analogue, le flasque 18 comprend une joue radiale 39 de grand diamètre, une partie 60 en forme de manchon qui est perpendiculaire à cette Joue, et un rebord intérieur 61 plus petit à l'autre extrémité de la partie en manchon 60 pour supporter l'autre extrémité de l'arbre 21.Du fait que les rebords ou paliers 59 et 61 sont situés aux extrémités extérieures des parties 58 et 60 en forme de manchon, les points d'appui de l'arbre 21 sont très espacés l'un de l'autre, si bien que l'arbre 21 est supporté d'une manière très stable et précise. Les flasques 17 et 18 peuvent entre en n'importe quelle matière dure, non magnétique et ayant une grande stabilité dimensionnelle. La demanderesse a constaté qu'une matière convenant à cette application est un alliage de béryllium et de cuivre. Lorsque les paliers 59 et 61 sont faits d'une telle matière, il n'est pas nécessaire de prévoir une lubrification, quoique l'on puisse néanmoins prévoir une lubrification si cela est désiré. Lors de l'assemblage, il est préférable de monter tout d'abord le rotor 19 sur l'arbre 21-et de les disposer ensuite dans la cavité 22 de la bobine 14. On glisse ensuite les flasques 17 et 18 sur arbre 21 de manière que les joues 38 et 39 s'emboitentdans les chambrages 36 et 37 aux extrémités de la cavité 22.On dépose après cela des bourrelets 62 (figure 1) d'une matière synthétique, qui peut etre la mime que celle de la bobine, sur les bords extérieurs des joues 38 et 39 et sur les parties de la paroi cylindrique des chambrages 36 et 37 situées sur les segments 41 et 42.Les joues 38 et 39 sont ainsi reliées solidement à la bdbine 14 et forment avec celle-ci une structure relativement rigide qui assure un maintien en place précis et solide de l'arbre 21 de l7arbre 21. Après l'assemblage de la bobine 14, du rotor 19, de l'arbre 21 et des flasques 17 et 18, on bobine les enroulements 15 et 16 dans les encoches correspondantes.Les enroulements 15 et 16 sont bobinés dans les encoches formées par les rainures décrites et le long des fonds inclinés32, 33, 34 et 35 sous la tension habituelle pour du fil utilisé dans un tel moteur, par exemple du fil nO 55 ASW. Il est possible drenrouler environ 47,5 m de ce fil en tout, formant environ 2200 spires dans chacun des enroulements 15 et 16; la résistance des enroulements est dans ce cas d'environ 5,6 kn. La tension d'enroulement a pour effet que la paroi interne de la cavité cylindriquc 22 est appliquée fermement contre les bords extérieurs des joues 38 et 39, de sorte qu'on obtient en fait une structure monolithique. Les enroulements entourant les joues 38 et 39 contribuent considérablement à la rigidité de l'ensemble.La figure 2 montre que les enroulements 15 et 16 sont reliés par un brin de fil 63 et que les extrémités 64 et 65 des enroulements sont placées transversalement dans les encoches 66 et 67 formées dans les extrémités 49 et 51 des broches de connexion 52 et 53. Les chambrages 36 et 37 (figure 6) se raccordant aux extrémités de la cavité cylindrique 22 sont situés suffisamment à l'intérieur des fonds 68, 69 et 71, 72 des rainures transversales 23 à 26 pour que la couche des enroulements 15 et 16 située le plus à l'intérieur soit légèrement écartée des surfaces extérieures des joues 38, 39, ce qui évite la possibilité de courts-circuits. L'ensemble formé par le rotor, la bobine et les enroulements est entouré par la culasse annulaire 13. Celle-ci a la forme d'une enveloppe cylindrique ayant une dimension longitudinale ou axiale qui est égale ou légèrement supérieure à la dimension longitudinale de la bobine 14. Sur la paroi interne de la culasse annulaire sont fixées deux tiges diamétralement opposées 45 et 46 en fer doux qui sont disposées dans un plan diamétral faisant un angle a avec la normale à l'axe du champ créé par les enroulements. Ces tiges forment des pales constituant un dispositif produisant une force pour arrêter le rotor à une position déterminée. Les tiges 45 et 46 peuvent titre attachées à la culasse annulaire 13 de tout manière appropriée; par exemple par soudage, collage au moyen d'une résine époxy, ou d'une autre manière. Le diamètre intérieur de la culasse annulaire 13 est seulement un peu plus grand que le diamètre extérieur de la bobine 14, de manière que la culasse puisse être montée avec un ajustage très serré sur la bobine La culasse portant les tiges 45 et 46 est orientée par rapport à la bobine de la manière déjà décrite et elle est fixée à la bobine au moyen d'un adhésif flexible évitant toute contrainte ou déformation mécanique. Pendant le fonctionnement du moteur, des impulsions positives et négatives sont appliquées successivement aux enroulements 15 et 16, de manière que ceux-ci engendrent un champ magnétique dont la direction est indiquée par la flèche 73 sur la figure 2. L'application de chaque impulsion de tension fait avancer le rotor d'un pas, correspondant à une rotation de 1800, jusqu'à ce quvil se trouve dans l'axe des pâles 45, 46, c'est-à-dire sous un angle a avec la normale à la direction du champ indiquée par la flèche 73. Le rotor s'arrête à cette position. L'application de l'impulsion suivante fait à nouveau tourner le rotor d'un demi-tour, jusqu t à ce qu'il se trouve dans l'axe des pôles 45, 46.L'angle a peut entre de l'ordre de 300, ce qui assure que le rotor démarre toujours dans le môme sens. Du fait que les tiges 45 et 46 sont placées sur la culasse annulaire, elles sont suffisamment éloignées de la partie tournante 12 pour que le couple de démarrage nécessaire après un arrêt ne devienne pas excessif et ne provoque une forte consommation. d'énergie de la pile lors de chaque démarrage. La durée de service de la pile est ainsi allongée. La culasse annulaire 13 doit astre d'une matière à perméabilité élevée et à faible rémanence. L'inclinaison des fonds 32, 33, 34 et 35 des rainures longitudinales permet d'utiliser un rotor 19 dont le diamètre est environ 20% plus grand que dans un moteur comprenant une bobine ayant à peu près le meme diamètre mais dont les enroulements ont une section transversale rectangulaire. Il devient ainsi possible d'obtenir un couple plus élevé, ou une plus grande-puissance sur l'arbre du moteur pour lambme consommation d'énergie électrique. Les chambrages 36 et 37 visibles sur les figures l et 6 pour le montage des grandes joues 38 et 39 permettent l'alignement précis et le centrage positif de l'arbre du rotor par rapport à la bobine constituant le support de la partie fixe du moteur. Les joues enferment en même temps la partie tournante entièrement et empêchent que des parties des enroulements fassent saillie dans la cavité dans laquelle tourne le rotor. L'ajustement serré des joues dans les chambrages confère en outre au support de la partie fixe du moteur une rigidité impossible à atteindre par la seule bobine moulée en plastique, ce qui empoche la défOrmation que pourrait provoquer la pression exercée par les nombreuses spires des enroulements. Le blocage des deux joues dans leurs chambrages par l'application à chaud d'un bourrelet de matière plastique ou synthétique sur les joues assure un assemblage rigide et indétachable ainsi qu'un positionnement positif définissant de façon définitive le jeu radial et le jeu axial du rotor par rapport à la bobine. Les flasques comprenant les paliers et la bobine deviennent en fait une seule pièce rigide. Les paliers faisant partie de cette pièce unique constituant le support de l'ensemble du moteur sont espacés au maximum l'un de l'autre, ce qui permet l'alignement précis et la diminution du débattement radial du bout d'arbre portant le pignon d'attaque. Comme il ressort des dessins, chaque palier agit à la fois radialement et axialement, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir des paliers de butée particuliers.La figure 3 montre qu'une partie du manchon 58 comprenant le rebord intérieur formant le palier 59 fait axialement saillie d'une des faces radiales du moteur; cette partie de manchon étant parfaitement concentrique à l'arbre et son diamètre extérieur étant compris dans des tolérances serrées, elle permet de monter le moteur avec précision dans le mouvement de montre par le simple emboîtement de cette partie de manchon dans un trou prévu à cet effet dans le mouvement. Les-extrémités 64 et 65 des enroulements sont disposées transversalement dans les encoches 66 et 67 des extrémités formant cosses à souder 49 et 51 des broches de connexion 52 et 53 et sont soudées à celles-ci. Pendant l'assemblage, les bouts des fils 64 et 65 peuvent atre maintenus en place au moyen de gouttelettes de colle 77 et 78 qui sont enlevées avec le bout de fil qui y est attaché lorsque les soudures sur les cosses 49 et 51 sont terminées. REVENDICAT-lONS 1. Moteur miniature pour un mouvement dthorlogerie, comprenant un stator non magnétique présentant une cavité cylindrique centrale ayant un diamètre déterminé et une dimension longitudinale déterminée, un ou plusieurs enroulements disposés dans le stator et autour de cette cavité pour créer un champ magnétique ayant une direction déterminée, un aimant permanent possédant un pôle nord et un pale sud et disposé dans cette cavité, caractérisé en ce qu'il-comprend en outre deux disques de fermeture non- magnétiques et relativement rigides qui sont attachés par leurs pourtours au stator pour fermer la cavité cylindrique et définir une chambre et pour donner de la rigidité à l'ensemble formé par les disques et le stator, des supports de palier faisant corps avec les centres des disques -et orientés perpendiculairement à ces disques, un palier d'arbre à l'extré- mité opposée de chacun de ces supports de palier, un arbre-disposé dans ces paliers, l'aimant permanent étant monté sur cet arbre à l'intérieur de ladite chambre, des rainures longitudinales et transversales formées dans le stator à l'extérieur de la cavité et des disques de fermeture et destinées à recevoir ledit ou lesdits enroulements, la dimension transversale de ces rainures augmentant en direction du diamètre de la cavité, une culasse annulaire cylindrique à perméabilité élevée et à faible rémanence qui entoure le stator et qui est attachée à celui-ci pour contribuer au support de celui-ci, un dispositif produisant une force comprenant un dispositif de polarisation pour jarreter le rotor à la meme position, qui est une position autre que celle correspondant à ladite direction du champ magnétique, après chaque excitation du ou des enroulements, et pour réduire le couple de démarrage nécessaire lors de l'application d'une excitation de dérnrrIe, le stator comprenant une bobine d'une seule pièce. 2. Moteur miniature selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation comprend au noir.s un élément formant un pôle. 3. Moteur miniature selon la revendicatiep 1, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation comprend deux tiges en fer doux diamétralement opposées.