Brevet FR2281516A1 — publié le 19760305

la présente invention concerne des moteurs miniatures électriques, travaillant par impulsions et notamment des moteurs miniatures utilisés pour l'entrainement de mécanismes d'horlogerie, ayant un bon couple de démarrage et une faible consommation d'énergie. En outre, de tels moteurs comportent des moyens qui servent à arr8ter le rotor dans une position choisie. En outre, on connatt un dispositif qui sert à réduire le frottement de tels moteurs, pour améliorer le rendement de ces moyens d'entrainement de mécanismes d'horlogerie. les moteurs servant à entrainer des mécanismes d'horlogerie, sont en soi extr8mement petits et leurs dimensions sont en général de l'ordre de quelques millimètres. Des moteurs miniatures pour montres sont connus en soi et pratiquement tous les moteurs connus présentent des problè- mes concernant le montage, le démontage, le rendement et le couple. Le rendement des moteurs électriques est réduit par le frottement entre les organes mobiles de l'entrainement de la montre. Un procédé qui a été appliqué au cours d'un essai pour limiter à un minimum le frottement, est décrit dans le brevet U.s. 3 803 430. Selon ce brevet, il est connu en principe utiliser des paliers en plastique. Bien que par l'utilisation de tels paliers en plastique, on puisse réduire le frottement, il existe le besoin de réduire encore plus le frottement, si l'on veut monter de tels moteurs électriques, dans des mécanismes d'horlogerie, au cours d'une fabrication à la chaste. La présente invention a pour but de créer un moteur miniature du type ci-dessus, présentant un frottement particulièrement faible. En considérant l'utilisation de ce moteur pour entraîner des mécanismes d'horlogerie, il faut que son rendement soit bon et que sa structure soit particulièrement simple et en outre il doit pouvoir se fabriquer comme un ensemble complet, séparément du mécanisme d'horlogerie, et pouvoir être monté sans entraîner de complications particulières dans le mécanisme d'horlogerie, et sans nécessiter de câblage. La présente invention a pour but de créer un moteur miniature du type ci-dessus, de fabrication simple, de montage simple dans les mécanismes d'horlogerie, et qui mette en oeuvre le mécanis me d'horlogerie, pour chaque cycle, et qui s'arrête au même point. A cet effet, l'invention concerne un moteur caractérisé selon les revendications. la présente invention offre l'avantage de créer un moteur à paliers autolubrifiants, qui est en mesure de fournir des puissances optimales, tout en ayant une durée de vie extrêmement longue. En outre, le moteur selon l'invention peut être prévu sur une carte munie d'un circuit imprimé ou dans toute autre unité de fonctionnement de la montre, sans nécessiter de circuit électrique distinct. le moteur est ainsi positionné exactement dans le mécanisme d'horlogerie et des moyens sont prévus pour permettre d'utiliser les procédés les plus divers de fixation ou de montage. En outre, la fabrication du moteur est extrêmement économique et son rendement est particulièrement élevé. Selon l'invention, on a ainsi un moteur miniature pour une horloge, et qui se caractérise en ce qu'il comporte un stator non magnétique, ayant une cavité cylindrique centrale d'un diamètre prédéterminé et d'une longueur prédéter minée, avec en outre deux éléments de fermeture, non magnétique relativement rigides, fixés par leur périphérie sur le stator, pour fermer le volume creux cylindrique, afin de former une chambre et de renforcer le montage formé par les disques et le rotor, des paliers d'arbre étant prévus, au centre des éléments de fermeture, de façon à pouvoir recevoir un arbre, un élément à aimant permanent étant prévu, avec un pôle nord et un pôle sud en étant fixé à l'intérieur de la chambre, sur l'arbre, des fentes longitudinales et transversales étant prévues dans le stator, à l'extérieur de la cavité et des éléments de fermeture, la dimension transversale du moyen muni d'une fente augmentant lorsque la dimension transversale voisine du diamètre de la cavité, un bobinage étant prévu dans les fentes, pour créer un champ magnétique d'intensité prédéterminée, et une armature annulaire de forte perméabilité et de faible rémanence, étant prévue sur la paroi intérieure du stator et entoure celui-ci. En outre, il est prévu un dispositif polaire, ayant deux ergots en fer doux, disposés diamétralement l'un par rapport à l'autre, et qui sont prévus sur les parois intérieures de l'armature annulaire et faisant un angle par rapport à la direction normale du champ magnétique, de façon à constituer un moyen de précontrainte pour arrêter toujours le moteur au même endroit, après chaque excitation du bobinage d'excitation, et pour réduire le couple de démarrage, qui existe lorsqu'on applique une excitation de démarrage.Enfin, le procédé selon l'invention, qui consiste à revêtir la surface extérieure du moteur électrique à l'aide d'un matériau adéquat à faible coefficient de frottement et à bonnes caractéristiques d'isolation électrique, offre l'avantage de donner un moteur qui, lors du fonctionnement, présente des propriétés autolubrifiantes des paliers du moteur, avec un frottement minimum. Suivant les caractéristiques générales de l'invention, on obtient ainsi un moteur électrique miniature dans lequel un corps de bobine synthétique ou cadre, comporte un rotor à l'intérieur d'une cavité cylindrique centrale, ce rotor étant monté dans des paliers autolubrifiants et des brides de plus grand diamètre étant collées sur le corps de bobine. Les bobines sont prévues autour des brides de palier dans des rainures dont les surfaces inférieures sont tangentes par rapport à la cavité'cylindrique. Les bobines servent ainsi à maintenir les brides de palier sur le corps de bobine et font partie de la structure du cadre du moteur. Les surfaces inférieures placées suivant un angle, augmentent le nombre de spires du bobinage et le diamètre efficace du rotor, ce qui augmente à son tour le couple du moteur. Une couronne en un matériau à forte perméabilité et à faible rémanence, entoure le corps de bobine et est collée sur celui-ci. Sur la paroi intérieure de l'armature, on a deux ergots en fer doux, diamétralement opposés, et faisant un certain angle par rapport à l'aie perpendiculaire du champ créé par les bobines, pour former des pôles arrêtant 1% rotor dans une position prédéterminée. La présente invention sera décrite à titre d'exemple, ci-après à l'aide des dessins dans lesquels - la figure 1 est une coupe partielle en perspective d'un moteur selon l'invention à échelle agrandie - la figure 2 est une vue en plan à une autre échelle ex dans la direction des flèches 2-2 de la figure 1 - la figure 3 est une vue de c8té dans la direction des flèches 3-3 de la figure 2 s - la figure 4 est une vue en plan2 partiellement coupée la figure 5 est une vue en élévation selon les flèches 5-5 de la figure 4 2 - la figure 6 est une vue de c8té selon les flèches 6-6 de la figure 5 en coupe partielle - la figure 7- est une vue en perspective, coupée parti-3.lement, des deux paliers à échelle agrandie. Selon les dessins2 le moteur 10 se compose d'un stator 1 1 et d'un rotor 12. le stator comporte une armature annulaire 13, un corps de bobine ou un châssis de moteur 14, des bobines d'enroulement 15 et 16 ainsi que des éléments de palier 17 et 18. Le rotor 12 comporte un élément de rotor 19 qui peut avoir la forme d'un disque et un arbre 21 qui est relié à la partie centrale du rotor 19, par exemple avec une colle telle qu'une colle époxy. L'élément tournant peut être réalisé en un alliage quelconque, à très forte perméabilité et à intensité polaire, magnétique élevée comme par exemple un alliage samariumcobalt, et cet élément est aimanté de façon qu'aulx extrémités opposées d'un certain diamètre, on a respectivement un p81e nord magnétique et un p81e sud magnétique. Dans quelques cas, il peut être avantageux d'utiliser un barreau magnétique classique au lieu d'un élément en forme de disque. Le cadre du moteur ou le corps de bobine 14, qui est également représenté aux figures 4, 5 et 6 est de préférence réalisé sous forme departie injectée ou de partie coulée sous pression, en une seule pièce, selon l'invention. aom- matière utilisée, on peut envisager du nylon, du chlorure de polyvinyle ou toute autre matière synthétique adéquate, qui présentent une résistance suffisante pour cette application ainsi qu'une constance suffisante des dimensions.Le matériau n'est pas nécessairement magnétique et dans certains sas, on peut également utiliser du laiton ou de l'aluminium, bien qu'il soit nécessaire d'oxyder anodiquement ces métaux pour obtenir une surface isolée, oar on risque d'avoir un court- circuit dans les bobinages, qui sont finalement mis sur le corps de bobine Le corps de bobine 14 est une pièce de forme essentiellement cylindrique, munie d'une cavité centrale cylindrique 22 qui reçoit l'élément de rotor 19, en laissant une distance suffisante entre les parois de la cavité 22 et la surface extérieure de l'élément de rotor 19 pour la présente application.Sur un côté du milieu du corps de bobine 14, on a des rainures transversales 23 et 24 (voir figure 6) et de la m8me façon, sur l'autre côté par rapport au milieu du corps de bobine, on a des rainures 25 et 26. En outre, sur un côté par rapport au milieu du corps de bobine, on a des rainures longitudinales 27, 28 et sur l'autre côté ducDrps de bobine, on a de façon correspondante des rainures longitudinales 29, 31. Les rainures 23, 24, 27, 28 forment une fente de bobinage dans laquelle on introduit le bobinage 15 et les rainures 25, 26, 29, 31 forment une autre fente de bobinage dans laquelle on place ou enroule le bobinage 16. Les surfaces internes ou les fonds 68, 69 et 71, 72 des rainures 23, 24, 25 ou 26 sont parallèles, ce qui ressort le mieux de la figure 6 avec toutefois des surfaces intérieures ou des fonds des rainures 27 et 28 selon la figure, comme cela est par exemple indiqué par les lignes 32 33 à la figure 5 en faisant un certain angle et en étant tangent à la surface cylindrique de la cavité 22. La disposition angulaire des fonds 27, 28 permet de placer plus de spires de fil dans la rai- nure de bobinage, par rapport à une rainure de bobinage dans laquelle les fonds 27, 28 seraient parallèles l'un à l'autre. Cela ressort de la figure 2 à savoir de la zone à hachures foncées 20 comparée à la zone 30 ayant des hachures plus claires. En outre, les fonds inclinés 27 et 28 permettent de mettre le bobinage des rainures, plus proche de la paroi cylindrique de la cavité 22 et ainsi plus proche de la surface extérieure du rotor magnétique 19 qui y est prévu. On obtient ainsi un circuit magnétique ayant un rendement amélioré. Cela permet au moteur de créer un couple plus important et de fournir une puissance de sortie plus grande, pour une m8me puissance consommée. De la même façon, les rainures 29 et 31 ont des surfaces de fond, inclinéescomme cela est indiqué par les lignes 34 et 35 et la rainure de bobinage formée par les fentes 25, 26 et 29 31 reçoit comice indiqué ci-dessus, plus de spires. Les surfaces inférieures inclinées 27, 28, 34, 35 permettent sersiblement 20 c,Ó de spires en plus, que l'on peut loger dans les rainures de bobinage selon l'invention, par rapport aux structures connues. L'extrémité de la cavité cylindrique 22 débouche dans des rainures circulaires 36 et 37 qui sont réalisées de façon à recevoir respectivement les brides 38, 39 des éléments de palier 17, 18 comme cela sera décrit dans le détail ci-après. la réalisation des rainures de bobi nage 23, 24, 27, 28 ainsi que 25, 26, 29, 31 aboutit à deux éléments 41, 42 en forme de segments de cercle, et deux éléments 43, 44 radialement en saillie. Les rainures radiales 47, 48 sont réalisées dans les éléments en forme de segments 41, 42 selon la figure, pour recevoir les extrémités 49, 51 des goujons de liaison 52, 53 les extrémités agrandies 49, 51 des goujons de liaison 52, 53 s'appuient respectivement de force, dans les ouvertures 54, 55 des éléments en forme de segments 41 42. Les ouvertures 56, 57 sont respectivement réalisées dans les éléments en saillie 43, 44 qui reçoivent également des vis de fixation. Selon la figure 7, l'élément de palier 17 présente une partie de douille 58 et une bride 38 s'étendant radialement vers l'extérieur, à une extrémité, suivant un grand diamètre, cette bride est en équerre. A l'autre extrémité, il est prévu une bride 59 plus petite qui comporte centralement la surface de palier proprement dite servant à recevoir une extrémité de l'arbre 21. De la même façon, l'élément de palier 18 présente une bride 39 dirigée radialement, suivant un grand diamètre, et gui s'étend perpendiculairement à un manchon 60. Sur l'autre c8té, il est prévu une seconde bride 61 ayant un diamètre plus petit, et dont la zone centrale intérieure comporte la surface de palier proprement dite, recevant l'autre extrémité de 11 arbre 21. Dd fait que les brides formant les paliers 59, 61 sont prévues aux extrémités des douilles 58, 60, les surfaces de palier de l'arbre 21 sont suffisamment éloignées pour permettre un montage très stable et très précis de l'arbre. Les éléments de palier 17, 18 peuvent être réalisés en un matériau non magnétique, dur, quelconque, adéquat, dont les dimensions sont très stables. A cet effet, il convient d'utiliser, par exemple, un alliage berylliumcuivre. Les brides formant paliers 59, 61 ou plus précisément les surfaces de palier 74, 75, 81, 82 sont revêtues d'une matière plastique adéquate, ne présentant qu'un faible coefficient de frottement et de bonnes propriétés d'isolation électriques. De la meme façon, les grandes brides 38, 39 ainsi que les segments de douille 58, 60 ouplus précisément les surfaces extérieures 76, 79, 83, 84 sont revêtues de la même matière plastique. Lorsque le moteur fonctionne, les feuilles de matière synthétique distinctes ou les revêtements de matière synthétique assurent des propriétés autolubrifiantes aux paliers de moteur, avec un frottement minimum. La feuille -de matière plastique ou le revêtement de matière plastique prévu sur les épaulements en saillie des paliers, limite à un minimum le risque d'un court-circuit de bobinages, qui se produit normalement pendant le bobinage. POur avoir une fabrication plus économique, on peut revêtir toutes les surfaces. Lors du montage, on fixe tout d'sabord le rotor 19 sur l'arbre 21, puis on introduit le rotor et l'arbre dans la cavité 22 du corps de bobine ou cadre 14. A la suite de cela, on met les brides 59 et 61 des éléments de palier 17 et 18 sur les extrémités correspondantes de l'arbre 21 et on introduit respectivement la périphérie extérieure des brides 38 et 39 de grand diamètre dans la rainure 36, 37 correspondante aux extrémités de la cavité 22. Dans cette position, on met en place les bourrelets 62 de matière synthétique, et qui peuvent être du meme type que le matériau du corps de bobine, sur la périphérie extérieure des éléments de bride 38, 39, par exemple à l'aide d'un outil chauffé. Les bourrelets 62 sont réalisés en combinaison avec les surfaces extérieures des rainures, qui sont dirigées vers l'intérieur par rapport aux éléments 41 et 42 en forme de segments comme cela ressort le mieux de la figure 1.Les brides 38, 39 sont de cette façon reliées solidairement au corps de bobine 14 et forment avec celui-ci un montage relativement fixe, qui maintient l'arbre 21 de façon précise et solide dans sa position correspondante. Après avoir réuni le corps de bobine 14, le rotor 19 et l'arbre 21, aux éléments de palier 17, 18, on réalise les bobines 15, 16 dans les rainures correspondantes. Les bobines ou enroulements 15, 16 sont places dans des rainures aui ont été décrites en liaison avec les surfaces supérieures inclinées 32, 33, 34 et 35 ; le bobinage se fait en exerçant une tension usuelle sur le fil qui peut outre un fil 55 ASW (norme américaine pour un fil d'un diamètre de 0,005 inches soit environ o, oOl cm). En tout, on bobine environ 45,8 m (156 pieds), ce qui correspond en tout à 2200 spires sur chacune des bobines 15 et 16 selon la description ci-dessus la réìstance des bobines correspond sensiblement à 5,6 kiloohms. La tension de bobinage assure que la surface intérieure de la cavité cylindrique 22 s'appuie solidement contre les bords extérieurs des brides formant paliers 38, et 39, de sorte que l'on arrive ainsi à un montage relativement solide et pratiquement monolithique.Les bobinages qui sont prévus sur les côtés extérieurs des brides formant paliers 38 et 39, participent ainsi de façon principale à la solidité de l'unité constructive. Il ressort de la figure 2 que les bobines 15, 16 sont reliées par un fil 63 et les extrémités 64, 65 des bobines sont prévues sur et dans les rainures 66, 67 aux extrémités 49, 51 des tiges de liaison 52 530 Les rainures 36, 37 (voir figure 6) qui terminent les extrémités du volume creux cylindrique 22 sont dirigées vers l'intérieur par rapport aux surfaces 68, 69, 71, 72, ce qui donne à la surface intérieure des rainures une forme adéquate pour recevoir les enroulements.On voit ainsi que la couche la plus intérieure des enroulements 15 et 16 se situe chaque fois légèrement à une certaine distance des surfaces extérieures des brides de palier 8 et 39, ce qui évite tout risque de court-circit. L'armature annulaire 13 est prévue autour du rotor du corps de bobine et des bobines. L'armature annulaire présente la forme d'une coupelle ou d'une couronne circulaire, dont la longueur et dont la dimension axiale est égale ou légèrement supérieure à la longueur du corps de bobine 14. Selon les figures 1 et 2, sur la paroi intérieure de l'armature annulaire, on a prévu deux goujons en fer doux 45, 46, diamétralement opposés l'un à l'autre, et qui font un angle par rapport à la normale de ltaxe du champ créé par les bobines et créant des pôles ou une précontrainte, pour maintenir le rotor dans une position prédéterminée. les ergots 45, 46 peuvent être prévus de façon quelconque sur l'armature annulaire 13, par exemple ces ergots peuvent être soudés, collés par une résine époxy ou reliés de façon différente. Le diamètre de la couronne 11 est légèrement supérieur au diamètre du corps de bobine 14 de façon que la couronne puisse être reçue avec un jeu étroit. L'armature annulaire est prévue comme indiqué ci-dessus, et est fixée grâce à une colle souple, de façon à ne pas créer de tension mécanique ou de déformation. Lors du fonctionnement, on envoie successivement des impulsions positive et négative aux enroulements 15 et 16 qui créent alors un champ magnétique dirigé suivant la flèche 73 à la figure 2. L'application de chaque impulsion de tension fait avancer le rotor d'un pas, c'est-àdire le fait pratiquement tourner et cela de 1800, de sorte qu'il se place en regard des pôles, en faisant un angle : par rapport à la normale dans la direction du champ selon la flèche 73. A ce moment, le rotor s'immobilise. L'envoi de l'impulsion suivante fait de nouveau tourner le rotor d'un demi-tour, et il starrete de nouveau en regard des pôles. L'angle peut être de l'ordre de 300, ce qui assure que le rotor tourne toujours dans le meme sens. La position des ergots 45, 46 sur l'armature annulaire est suffisamment écartée du rotor 12 pour que le couple de démarrage ne soit pas trop grand, après que le rotor se soit arrêté. On économise ainsi l'énergie fournie par la pile. Pour réaliser l'armature annulaire 13 il faut utiliser un matériau ayant une forte perméabilité et une faible rémanence. Comme la surface intérieure 32, 33, 34 35 des rainures de bobinage fait un certain angle, le rotor19 peut avoir un diamètre augmenté d'environ 20 fo par rapport à un dispositif dans lequel la bobine présente des côtés parallèles et un diamètre comparable. Cela permet d'arriver à un couple plus élevé ou à une plus grande puissance de sortie, pour une même puissance électrique fournie. Les cavités 36, 37, selon les figures 1 et 6 forment un logement pour recevoir les paliers 38, 39 avec une bride large, ce qui permet un alignement extraordinai rement précis et un centrage exact de l'arbre du rotor par rapport au cadre du moteur. Les brides de palier servent en outre à entourer complètement la partie tournante, et a éviter en outre que le bobinage de fil ne pénètre dans la cavité du rotor. Grâce à cette adaptation étroite dans son siège respec tifb il participe en outre à la résistance du cadre du moteur, que l'on ne pourrait atteindre à l'aide du seul corps de bobine, en matière synthétique, réalisé par injection, de sorte que l'on évite ainsi une déformation par la pression exercée par les multiples spires de fil portées par la bobine. Le procédé de fixation des deux brides de palier par pressage à chaud d'un bourrelet de matière plastique par-dessus ces brides, assure un montage solide et rigide et une fixation exacte du jeu frontal, sans avoir le risque que le montage ne se desserre ou que l'alignement se perde. Le palier et le cadre forment réellement une seule pièce massive. Même les surfaces de palier font corps avec l'ensemble du montage de paliers et sont éloignées l'une de l'autre aussi loin que possible, ce qui permet un alignement particulièrement correct et une réduction du mouvement radial à chaque extrémité de pignon. Il est clair que chaque palier autolubrifiant sert à la fois de palier Fâdiia et de palier à épaulements, ce qui supprime la nécessité d'un palier de poussée, supplémentaire. Selon la figure 3, le palier 59 s'étend au-delà du plan de la base du moteur et son diamètre extérieur présente une concentricité très étroite et des tolérances dimensionnelles correspond dantes, étroites. Cela aboutit à une saillie à l'aide de laquelle on peut monter exactement le moteur dans le dispositif d'entrai- nement de mécanisme d'horlogerie, du fait que l'on place simplement la saillie dans une ouverture prévue à un endroit adéquat dans le dispositif du mécanisme d'entraînement'. Les extrémités des bobines 64, 65 sont prévues dans les rainures 66, 67 des pattes d'extrémité 49, 51 des tiges de liaison 52, 53 et y sont soudées. Pendant le montage, on peut maintenir les extrémités des fils 64, 65 sui- vant les dessins, à l'aide d'un petit point de colle 77, 78 jusqu'à ce qu'on réalise la liaison, puis on enlève le point de colle et l'extrémité de fil fixés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres variantes, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATICNS Moteur miniature comportant un stator non magnétique ayant une cavité cylindrique d'un diamètre prédéterminé, et d'une longueur prédéterminée, un arbre muni d'un élément à aimantation permanente, des rainures longitudinales et des rainures transversales dans le stator, des enroulements qui sont prévus dans les rainures pour créer un champ magnétique, et au moins un élément polaire qui sert à assurer une précontrainte magnétique pour maintenir l'élément magnétique dans une position prédéterminée, moteur caractérisé en ce qutil comporte deux éléments de paliers autolubrifiants (17, 18) qui sont respectiement fixés suivant leur périphérie au stator, et en ce que chacun des éléments de palier présente un élément de bride (38, 39) s'étendant dans la direction radiale, un autre support de palier d'arbre (58, 50) étant prévu, et comporte d'autres paliers d'arbre (59, 61) à ltextrémité du support de palier d'abre, et en ce que les éléments de paliers reçoivent les segments d'extrémité de l'arbre. 20) Moteur miniature selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de paliers (17, 18) sont revêtus d'un matériau adéquat formant une surface superficielle isolée électriquement, et en ce que cette surface présente un coefficient de frottement minimum, pour réduire le frottement entre l'arbre (21) et les éléments de paliers (17, 18).