Brevet FR2371080A1 — publié le 19780609

La présente invention concerne des armatures plates tournant ou se déplaçant linéairement pour moteurs et aimants d'entrainement, comprenant un support de matière plastique ou céramique sur lequel est placé un système de bobinage. On sait que des équipements consistant en un stator d'aimants permanents et en une armature de rotor pourvue d'un bobinage imprimé, actionnés par un courant continu ou des impulsions, sont utilisés dans divers systèmes de commande dans un vaste domaine. De tels équipements peuvent entre actionnés plus rapidement que les équipements de l'Art antérieur contenant du fer, en raison de la faible masse du rotor. De plus, la commande en courant continu ou analogue est très avantageuse lors du démarrage. Dans le monde entier, les Sociétés de production de moteurs et d'équipements de commande cherchent à améliorer l'efficacité d'équipeménts de ce type. On a mis au point divers procédés pour améliorer les systèmes magnétiques et dans ceux-ci, pour accroître l'induction dans l'entrefer, pour disposer les bobinages et produire les rotors. Le rendement des moteurs peut etre accru également par une disposition convenable des aimants et par une élévation de l'induction dans l'entrefer. Le système de bobinage peut être produit par la technique classique du circuit imprimé, par exemple dans le cas de moteurs à bobinage ondulé à recouvrement convenable ou par la mise en contact avec soudure des pièces conductrices de forme adéquate obtenues par compression de feuilles électro-conductrices. Une technique similaire peut aussi être appliquée pour les systèmes de bobinage d'aimants d'entratnement électromécaniques et des servomoteurs équipés d'une armature plate se déplaçant de façon linéaire. Selon la littérature antérieure traitant de la construction et des problèmes théoriques posés par des moteurs à armature en forme de disque, on ne peut pas produire le rotor à partir d'une substance ferromagnétique parce que cela augmenterait la masse et l'inductivité du rotor et aussi la perte par courants parasites. Le fonctionnement rapide des équipements et le mouvement régulier du rotor sont inhibés par ces facteurs. La présente invention a mis au point un support en plastique ou céramique pourvu de propriétés magnétiques pour le rotor de moteurs et d'aimants d'entrainement ayant une armature plate, et qui permet d'augmenter le rendement pour des dimensions identiques. On a constaté selon l'invention qu'on améliore nettement les paramètres de l'équipement en utilisant une matière plastique magnétique isolante comme support de l'armature des moteurs ou d'aimants d'entratnement à armature plate. Ce fait est surprenant puisque la littérature indique qu'à propos des moteurs à armature plate1 il est impossible de produire des supports de rotor à partir de substances ferromagnétiques stipulant d'un cté que les pertes par courants parasites sont accrues par l'utilisation de substances ferromagnétiques et, d'un autre cté, qu'il apparait des inégalités du moment en raison de l'impact du rotor(Engineers' Digest 30, 5 [1969] ;Electronics 40, 124 [1967J). Ainsi l'invention surmonte un problème technique puisqu'aucun courant parasite n'est créé dans les équipements selon l'invention et qu'aucune irrégularité du moment n'est observée. La présente invention se rapporte donc à une armature plate tournant ou se déplaçant linéairement pour moteurs et aimants d'entrainement, comprenant un support de plastique ou de céramique et un bobinage placé sur ce support. En particulier, ce support contient de 2 à 50 % en poids et mieux de 10 à 18 % en poids d'un matériau magnétique doux, distribué de façon homogène. Les matériaux magnétiques doux sont caractérisés par une perméabilité relativement élevée (p = 10 000 à 100 000) et une faible force coercitive (0,015 à1 oye). L'armature plate selon l'invention contient un matériau magnétique doux, de préférence choisi parmi les alliages magnétiques doux, le fer doux ou une ferrite douce. Il est avantageux d'utiliser à ce propos des alliages de fer contenant du nickel, du molybdène, du chrome ou du silicium, par exemple des alliages du type "permalloy". On peut appliquer un fer doux de préférence pulvérulent, dont la dimension particulaire est comprise entre 3 et 200 microns et qui est préparé à partir de fer pentacarbonyle (Fe(CO)5). On peut utiliser une ferrite douce telle que par exemple:NiO,Fe203 GiO,ZnO,Fe203 ; MnO,Pe203 ; ;MnO,ZnO,Fe203 ; Cu20,Fe2Q3 Cu0,2 Fe203 ; CuO.ZnO. Fe203 ; Li20,ZnO,Fe203 ; MgO,Fe203 CoO,Fe203 ; CoO,ZnO,Fe203 ; CoO,NiO,Fe203 ; CoO,NiO,ZnO,Fe2o3 ou MnO,MgO,Fe203, ayant une dimension particulaire moyenne comprise entre 50 et 200 microns Le support plastique de l'armature plate selon l'invention peut être produit de différentes manières.Il est par exemple avantageux de a) faire fondre une résine synthétique thermoplastique ayant un point de ramollissement d'au moins 1500C, puis de disperser dans cette masse fondue, de 10 à 50 % en poids et de préférence de 20 % en poids a d'une substance magnétique douce et enfin de transformer le mélange obtenu en un élément de support de forme et dimension requises, ou b) disperser dans une résine polyester insaturée ou dans une résine époxy non réticulée, de 10 à 50 % en poids et de préférence 22 % en poids d'une substance magnétique douce, puis de réticuler le mélange obtenu jusqu'à un degré de réticulation atteignant 50 à 80 %, de broyer le produit obtenu et de comprimer la poudre en forme de support ayant la configuration et la dimension requises, ou c) disperser de 10 à 15 % en poids, de préférence de 15 à 20 % en poids d'une substance magnétique douce dans une résine thermoplastique en phase A obtenue par polycondensation, convertir le mélange en matériau en phase B, broyer celui-ci et comprimer la poudre en forme de support de dimension et forme choisies, ou d) mélanger une poudre de presse de résine thermoplastique en phase B, obtenue par polycondensation avec 10 à 50 % en poids et de préférence 16 à 20 % en poids d'une substance magnétique douce et mettre ce mélange sous forme de support ayant la dimension et la forme désirées, ou e) homogénéiser du polytétrafluoroéthylène pulvérulent avec 10 à 50 % en poids et de préférence 18 à 22 % en poids d'une substance magnétique douce, puis-mettre ce mélange sous forme de support de forme et dimension désirées et fritter ce support Voici les principaux avantages présentés par les armatures plates selon l'invention 10) l'induction de l'entrefer ainsi que l'efficacité de l'équipement sont augmentées 20) les dimensions extérieures peuvent être encore réduites avec conservation de la même efficacité ; 30) la création de courants parasites est prévenue par l'introduction de substance ferromagnétique distribuée de fa çon homogène dans le support. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. Les exemples non limitatifs suivants décrivent davantage une armature plate selon l'invention et son procédé de fabrication. La perméabilité relative des feuilles d'armature produites, est déterminée par rapport aux courbes de magnétisation, selon la méthode décrite aux pages 574 à 578 du "Basic Electrical Engineering de A.E. Fitzgerald, D.U.Higginbotham et A.Grabel (4ème éd., Mc Graw-Hill Book Co., New York, 1975) EXEMPLE 1 On dispose de résine époxy préparée par polycondensation d'épichlorhydrine et de résine novolaque (une résine résole liquide obtenue par polycondensation de phénol, tricrésol et formaldéhyde en présence d'acide chlorhydrique comme catalyseur) presentant les caractéristiques suivantes - teneur en groupe époxy : 18 à 22 - résistance à la flexion sous impact : 600 kp/cm2 2 - dureté Brinell : 30 à 35kp/cm - résistivité spécifique volumique à 200C : 4.1015 ohm, x cm - stabilité thermique selon Martens : 1800C - prise d'eau en 24 heures : 0,05 %. 100 parties en poids d'une telle résine sont additionnées de 88 parties en poids de ferrite MnO,Fe203 ayant une dimension particulaire moyenne de 100 r, dans un broyeur à boulets à la température ambiante et la masse est homogénéisée pendant 8 heures. Ensuite, 15 minutes avant la fin de la période d'homogé néisation, on ajoute 8 parties en poids d'anhydride méthyl tétrahydrophtalique servant d'agent de réticulation et l'on poursuit l'agitation pendant 15 minutes de plus. La masse homogène du broyeur est transférée sur un plateau d'aluminium et celui-ci est traité pendant 6 heures dans un four à 800C. Le matériau se solidifie au cours du traitement thermique. On le broie alors en poudre fine.En associant cette poudre à du tissu de verre dans une presse, on comprime la masse à 1100C en feuilles de 1 mm d'épaisseur, sous une pression spécifique 2 de 180 kcm pendant 10 minutes. La perméabilité relative des feuilles est de rr = 60. Des feuillets de cuivre de 0,05 mm chacun sont alors collés sur les deux faces des feuilles et des bobinages sont appliqués à la surface des feuillets selon une méthode classique en technique de circuit imprimé. L'efficacité des moteurs équipés d'un rotor ainsi préparé est de 22 % supérieure à celle d'un moteur de construction par ailleurs identique, mais équipé d'un rotor dépourvu de matériau magnétique doux EXEMPLE 2 On dispose de résine polyester préparée par polycondensation de propylène glycol et d'anhydre phtalique dans du styrène actif comme solvant contenant 2 parties en poids de monostéarate de sorbitan, et présentant les caractéristiques suivantes - densité : 1,12 à 1,16 g/cm3 - viscosité : 500 à 800 cpoises - formation de gel à 400C en présence de 0,2 parties en poids de diméthylaniline : 60 à 120 minutes - résistance à la traction : 400 à 450kp/cm2 2 - dureté Brinell : 14 à 18 kp/cm - résistivité spécifique volumique à 200C : 1,l.î14 à 4,0.1015 ohm x cm. - stabilité thermique Martens : 1900C. On ajoute 400 parties en poids de cette résine à 20 parties en poids de ferrite CuO,Fe203 ayant une dimension particulaire moyenne de 80 PI dans un broyeur à boulets à la température ambiante, puis on homogénéise la masse pendant 4 heures. On introduit ensuite 2 parties en poids de peroxyde de benzoyle comme initiateur et on poursuit 11 homogénéisation pendant 10 minutes de plus .Le mélange homogène est alors versé sur un plateau dfaluminium que l'on traite ensuite pendant 5 minutes dans un four à 604C. Le matériau solide ainsi obtenu est pulvérisé dans un broyeur, puis combiné à un tissu de verre dans une presse ; on fabrique ainsi des feuilles de 1 mm d'épaisseur à partir d'une masse à 1600C sous une pres 2 sion spécifique de 190 kp/cm2 pendant 5 minutes. La perméabilité des feuilles de polyester ainsi prepa- rées est de Yr = 85. Des feuillets de cuivre de- 0,05 mm chacun sont alors collés sur chaque face des feuilles et des bobinages sont appliqués sur la surface des feuillets selon une quelconque méthode usuelle en technique de circuit imprimé. L'efficacité de moteurs équipés d'un rotor ainsi préparé est de 23 % supérieure à celle d'un moteur par ailleurs identique, mais équipé d'un rotor ne contenant aucune substance magnétique. EXEMPLE 3 On dispose de poudre de type bakélite préparée par polycondensation de phénol et de formaldéhyde, modifiée par 5 parties en poids de résine naturelle en présence d'hydroxyde d'ammonium comme catalyseur, et présentant les caractéristiques suivantes - indice de brome : 12 - période de formation de gel à 1500C : 60 à 150 secondes - point de coulée : au moins 850C. On mélange 100 parties de cette résine avec 15 parties en poids de ferrite CoO,Fe203 ayant une dimension particulaire moyenne de 110 et l'on homogénéise à l'état humide dans un broyeur à boulets pendant 5 heures. On ajoute ensuite 10 parties en poids de fibres de verre de 0,1 mm de section droite découpées en éléments de 2 mm et l'on homogénéise la masse pendant 2 heures supplémentaires. Le mélange de poudre homogène est alors séché pendant 3 heures dans un four à 600C On fabrique ensuite des feuilles de 1 mm d'épaisseur en comprimant le matériau ainsi prétraité, dans une presse convena 2 ble à 1300C sous une pression spécifique de 175 RE/cm2 pendant 5 minutes. La perméabilité des feuilles de bakélite ainsi obtenues est de rr = 45. Des feuillets de cuivre de 0,05 mm d'épaisseur sont alors collés sur chacune des faces des feuilles et des bobinages convenables permettant le déplacement linéaire, sont appliqués sur la surface des feuillets selon une méthode usuelle en technique de circuit imprimé. La partie mobile conçue pour des mouvements linéaires ainsi fabriquée, est alors assemblée en tant que composant d'un aimant d'entraînement, en un équipement de machine à écrire à marteaux à fonctionnement rapide (4 mmfssc 3), par exemple, dans un dispositif d'impression de symboles alpha numériques. Par rapport à des équipements similaires contenant une partie mobile disposée sur une feuille isolante non magnétique, on constate une augmentation de l'efficacité de 18 %. EXEMPLE 4 On fait fondre sous atmosphère d'azote, 100 parties en poids de caprolactane préparé à partie de 93 parties en poids de sel-AG (composé préparé par la réaction de quantités équimolaires d'hexaméthylène diamine et d'acide adipique) et de 7 parties en poids deLt) -amino-caprolactame et présentant les caractéristiques suivantes - résistance à la traction : 570 kp/cm2 Il - résistivité spécifique volumique : 10 ohm x cm - point de fusion : 2370C - teneur en eau : pas plus de 0,4 % - viscosité spécifique d'une solution à 0,5 % dans du tricrésol 0,65 cpoise. On ajoute ensuite 20 parties en poids de ferrite CoO,NiO,ZnO,Fe203 ayant une dimension particulaire moyenne de 100 r et l'on mélange pendant 30 minutes. On refroidit ensuite le mélange à la température ambiante et fabrique par compression des feuilles de 1 mm d'épaisseur à partir de matériau à 2000C, 2 sous une-pression spécifique de 170 kp/cm. La perméabilité rela- tive des feuilles est de Jir = 40. Des feuillets de cuivre de 0,05 mm d'épaisseur sont alors collés sur chacune des faces des feuilles de polyamide et un système de bobinage à ondulation est appliqué sur la surface des feuilles selon une méthode usuelle en technique de circuit imprimé. L'efficacité d'un moteur équipé d'un rotor ainsi fabriqué, est de 20 % supérieure à celle d'un moteur par ailleurs identique, mais équipé d'un rotor ne contenant pas d'additif magnétique. EXEMPLE 5 On tamise 100 parties en poids de polytétrafluoroéthylène pulvérulent, puis on l'additionne de 18 parties en poids de ferrite CuO,Fe203 pulvérulente ayant une dimension particulaire moyenne de 60 r, tout en agitant. On fabrique par compression des feuilles de 1 mm d'épaisseur à la température ambiante, à partir du mélange ainsi obtenu, puis on fritte les feuilles pendant 2 heures dans un four à 380 C. Après le frittage, les feuilles sont refroidies à la température ambiante à la vitesse de 30C/minute, puis des disques d'une dimension correspondant à l'armature à produire sont débités.Des feuillets de cuivre comprimés en une forme correspondant au bobinage en boucle à obtenir, sont collées sur les deux faces de ces disques. L'efficacité du moteur équipé d'une telle armature est de 22 % supérieure à celle d'un moteur identique par ailleurs, mais équipé d'une armature ne contenant aucun additif magnétique. EXEMPLE 6 Dans un broyeur à boulets, on introduit 94 parties en poids d'st-Al203 chimiquement pure, 2 parties en poids de SiO2, 2 parties en poids de MgO et 2 parties en poids de fer pulvérulent préparé à partir de fer pentacarbonyle. On homogénéise pendant 2 heures. On ajoute 40 parties en poids d'une solution aqueuse à 40 % en poids d'alcool polyvinylique à la masse broyée et fournit ainsi une masse plastique. On prépare l'armature plate du moteur à partir de cette masse par coulée sous pression. L'armature est extraite du moule de coulée et séchée dans un four à 5000C. L'armature séchée ayant une surface encore légèrement poreuse est laisse reposer 2 heures dans une solution aqueuse à 50 % en poids de CuCl2, séchée à nouveau et frittée dans un four à 16900C dans une atmosphère réductrice. On obtient alors une armature plate ayant une surface complètement lisse et exempte de pores, que l'on revêt d'une pellicule de cuivre d'environ 5 microns d'épaisseur. La perméabilité relative de l'armature plate est de er = 38. En plaçant la feuille dans un bain électrolytique, le revêtement de cuivre déposé sur la surface atteint une épaisseur d'environ 80 microns. On applique ensuite sur la surface de l'armature plate, un système de bobinage selon une méthode classique en technique de circuit imprimé. L'efficacité du moteur comprenant une telle armature plate est de 12 % supérieure à celle d'un moteur équipé d'une armature plate élaborée avec une feuille céramique non magnétique. Le moteur fonctionne sans problème même aux températures élevées (jusqu'à 3000C). EXEMPLE 7 Dans un broyeur à vibrations, on mélange 0,5 parties en poids de ZrO2 e t 11 parties en poids de NiO,Fe203 avec 92 parties en poids d'-Al2O3 chimiquement pure. Après homogénéisation, on ajoute 30 parties en poids d'une solution aqueuse à 40 % en poids d'alcool polyvinylique et obtient une masse plastique. On fabrique des feuilles de 50 x 50 x 0,8 mm à partir de cette mas 2 se sous une pression de 150kp /cm2. Ces feuilles sont séchées à 6000C, puis frittées à 17200C. La surface des feuilles ainsi produites est polie à l'aide d'un outil diamant jusqu'à ce qu'elle soit lisse. On dépose ensuite par évaporation sous vide, une couche de cuivre a d'environ 5 microns d'épaisseur sur les surfa- ces rectifiées des feuilles de corindon dépourvues de pores.On porte alors l'épaisseur de la pellicule de cuivre à environ 80 microns par dépit électrolytique. La perméabilité relative de la feuille de céramique plaquée de cuivre ainsi préparée, est de Xur = 42. On applique un bobinage adapté au déplacement linéaire sur la surface de l'armature plate, selon une méthode quelconque usuelle de la technique des circuits imprimés. La partie mobile susceptible de subir des déplacements linéaires ainsi fabriquée, est alors montée en tant que composant d'un aimant d'entratnement dans un équipement de machine à écrire à marteaux à fonctionnement rapide (3 mm/sec 3), par exemple dans un dispositif d'impression de symboles alphanumériques. Par rapport à un équipement similaire contenant une partie mobile élaborée avec une feuille isolante de corindon non magnétique, on observe une augmentation de l'efficacité de 16 %. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Armature plate pouvant tourner ou se déplacer linéairement pour moteurs ou aimants d'entralnement, comprenantun support de plastique ou de céramique et un système de bobinage placé sur celui-ci, caractérisée en ce que le support renferme de 2 à 50 % en poids d'une substance magnétique douce distribuée de façon homogène. 2. Armature plate selon la Revendication 1, caractérisée en ce que le support renferme de 10 à 18 % en poids d'une substance magnétique douce. 3. Armature plate selon la Revendication 1 ou 2, carac térisée en ce que la substance magnétique douce est un alliage magnétique doux, du fer doux ou une ferrite douce. 4. Armature plate selon les Revendications 1 à 3, caractérisée de plus par la description des exemples 1 à 7.