Brevet FR2459574A1 — publié le 19810109

"Moteur pas à pas" L'invention concerne un moteur pas à pas mu- ni d'un stator et comportant au moins: - une première partie de stator annulaire avec une bobine annulaire et une enveloppe magnétiquement conductrice entourant ladite bobine et se terminant par des premier et deuxième ensembles de dents de stator, - une deuxième partie de stator annulaire avec une bobine annulaire et une enveloppe magnétiquement conductrice entourant ladite bobine et se terminant par des troisiè- me et quatrième ensemblesde dents de stator, - une partie annulaire magnétiquement permanente aimantée axialement et située entre lesdites particede stator tout en étant coaxiale à celles-ci, les deuxième et troisième ensembles annulaires de dents de stator étant i 5 limitrophes de cette partie magnètiquement permanente, et - un rotor à denture qui coopèrent avec les premier, deu- xième, troisième et quatrième ensembles de dents de sta- tor et par rapport auxquelles les premier etdeuxième en- sembles de dents de stator forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 1800, les troisième et quatrième ensembles de dents de stator forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 1800, les premier et quatrième ensemble de dents de stator forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 90 , et les deuxième et troisième ensembles de dents de sta- tor forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 90 . Un tel moteur pas à pas est connu de la de- mande de brevet français no 2.358.046 et convient en par- ticulier pour réaliser des pas couvrant de très petits angles, par exemple 1.8 . Dans ladite demande, il est pré- cisé que des différences en perméance des voies qui de l'anneau (partie) magnétiquement permanent (e) conduisent aux premier et deuxième ensembles de dents de stator de même que des voies qui dudit anneau conduisent aux troi- sième et quatrième ensemble de dents de rotor, donnent lieu à un couple asymétrique, c'est-à-dire des couples qui diffèrent lors des différentes phases d'excitation. De plus, ladite demande indique plusieurs façons pour éli- miner ces inégalités en perméance dans les voies en ques- tion. Dans la pratiquq il s'avère très difficile de réaliser la même perméance dans lesdites voies. De plus, on a constaté que ledit couple asymétrique va de pair avec des erreurs de pas angulaire qui sont beaucoup plus gé- nantes que l'asymétrie des couples en question. Or, le but de l'invention est de procurer un moteur qui appartient eau genre mentionné dans le préam- bule et lors du fonctionnement duquel lesdites erreurs de pas angulaires sont éliminées grandement. A cet effet, l'invention est remarquable en ce que pour réduire les erreurs de pas angulaire en pré- sence d'une d'excitation déterminée, les dimensions géo- métriques des dents des deuxième et troisième ensembles de dents de stator en relation avec les dents formant les dentures de rotor coopérant avec ces deux ensembles de dents de stator diffèrentdes dimensions géométriques des dents des premier et quatrième ensemblQsde dents de rotor en relation avec les dents formant les dentures de rotor coopérant avec ces deux ensembles de dents i stator, de telle façon qu'en fonction de la position du rotor, l'am- plitude de la perméance de l'entrefer entre les dents des deuxième et troisième-ensembles de dents de stator et celles des dentures de rotor coopérant avec ceux-ci, est au moins 1 % inférieure à l'amplitude de la perméance de l'entrefer entre les dents des premier et quatrième en- sembles de dents de stator et celles des dentures de ro- tor coopérant avec ceux-ci, les dinmsions géométriques des dents du deuxième ensemble de dents de stator étant égales à celles des dents du troisième ensemble de dents de stator, ce qui est le cas aussi de celles des premier et quatrième ensembles de dents de stator. Par l'expression "angle électromagnétique de 3600 ", il y a lieu d'entendre ici un déplacement du rotor, par rapport au stator, égal au pas de dent, c'est-à-dire la distance d'axe en axe des dents. Dans le cas d'un mo- teur opérant par un pas couvrant un angle 1,80, c'est-à- dire un moteur dont le rotor tourne sur 1.80 à l'occasion de chaque pas et sur 7,20 lors de chaque cycle de quatre pas, on a donc que 360 degrés électromagnétiques corres- pondent à 7,2 degrés spatiaux. L'invention repose sur l'idée que ladite iné- galité en perméance donne lieu à un couple de collage - à savoir le couple en situation de non excitation - qui en coopération avec le couple déterminé par l'excitation don- ne lieu à des couples inégaux dans les quatre phases d'ex- citation différentes, et à des pas angulaires différents entre les positions stables du rotor qui appartiennent aux- dites quatre phases et que pour éliminer les erreurs de pas angulaire, il n'est pas nécessaire de supprimer ladite inégalité en perméance mais que du fait de réduire l'ampli- tude des perméances - qui sont fonction de la position du rotor, des entrefers entre les deuxième et trcdsième ensem- bles de dents de stator et les dentures de rotor compara- tivement à l'amplitude des perméances - fonction de la po- sition du rotor - des entrefers entre les premier et qua- trième ensembles de dents de stator et les dentures de ro- tor, il est possible d'éliminer lesdites erreurs de pas angulaire sans devoir rendre égales les perméances dans les voies magnétiques. A ce sujet, il faut remarquer que le fait de réduire lesdites perméances des entrefers ne correspond pas à l'égalisation de l'amplitude des permé- ances totales des voies, y compris les entrefers corres- pondants. La description suivante, en regard des des- sins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe d'un moteur pas à pas auquel l'application de l'invention est possible. La figure 2 illustre schématiquement les po- sitions mutuelles des dents de stator et des dents de ro- tor. La figure 3 montre quelques diagrammes ser- vant à expliquer l'excitation d'un moteur selon la figure 1. La figure 4 est un diagramme vectoriel pour expliquer l'apparition d'erreurs de pas angulaire dansle cas d'un moteur selon la figure 1 et avec excitation mono- phase. La figure 5 est un diagramme vectoriel comme celui selon la figure 4, cette fois avec excitation bi- phase. La figure 6 est une coupe selon la figure I et illustre un premier mode de réalisation d'un moteur pas à pas conforme à l'invention. La figure 7 est une coupe selon la figure 1 et illustre un deuxième mode de réalisation d'un moteur pas à pas conforme à l'invention. La figure 8 illustre les positions mutuel- les des dents de stator et des dentsde rotor dans le cas d'un troisième mode de réalisation d'un moteur pas à pas conforme à l'invention. Sur la figure 1, le moteur pas à pas est pratiquement asymétrique de révolution autour de l'axe A - et comporte un rotor 1 et un stator 2. Ce stator 2 est formé par deux parties coaxiales 3, 4 entre lesquelles est placé, coaxialement à ces parties, un anneau magnétiquement permanent 5, aimanté suivant la direction axiale. La partie de stator 3 comporte une bobine annulaire coaxiale 8 qui est entourée d'une enveloppe magnétiquement conductrice 6 qui à l'intérieur se termine par deux ensembles de dents de stator annulaires 10 et 11, la partie de stator 4 com- portant une bobine annulaire coaxiale 9 entourée d'une en- veloppe magnétiquement conductrice 7 qui à l'intérieur se termine par deux ensembles de dents de stator 12 et 13. Le rotor 1 est muni de dentures annulaires 14, 15, 16, 17 qui coopèrent avec lesdits ensembles de dents de stator 10, 11, 12, 13. La figure 2 montre schématiquement la posi- tion des ensembles de dents de stator 10, 11, 12, 13 par rapport aux dents de rotor 14, 15, 16, 17. Dans ce cas, les dents de rotor sont alignées axialement, de sorte que la rangée supérieure sur la figure 2 représente les dentures 14, 15, 16 et 17. (la situation inverse est possible, c'est- à dire que les dents de stator sont alignées axialement ce- pendant que les dents de rotor sont décalées). Pour une po- sition déterminée du rotor, les dents de l'ensemblede dents de stator 10 se trouvent en face des dents de rotor comme le montre la figure 2. Dans ce cas, les dents de l'ensemble de dents de stator 11 doivent Atre décalées partiquement de 1800 ou d'un demi-pas de dents par rapport aux dents de l'ensemble de dents de stator 10. De leur c8té, les dents de l'ensemble de dents de stator 12 sont décalées de 900 ou d'un quart de pas de dent (ou de 3/4 de pas de dent vu dans la direction opposée) par rapport aux dents de l'ensemble de dents de stator 10, tandis que les dents de l'ensemble de dents de stator 13 sont décalées de 2700 ou de 3/4 de pas de dent (ou de 1/4 de pas de dent vu dans la direction opposée) par rapport aux dents de l'ensemble 10. Les posi- tions que les dents des ensembles 12 et 13 occupent les unes par rapport aux autres peuvent également être inversées La figure 3 illustre deux possibilités pour exciter le moteur selon la figure 1. Sur cette figure 3, les diagrammes a et b montrent l'allure des courants d'ex- citation pour les bobines 8, 9 en cas d'excitation monopha- se (c'est-à-dire que seulement une bobine est excitée), tandis que les digrammes c et d montrent l'allure des cou- rants en cas d'excitation biphase. A cette occasion, le sens de passage d'un courant +I est Xl que la direction du champ que la bobine 8 engendre dans l'entrefer entre l'ensemble de dents de stator 10 et la denture de rotor 14 coïncide avec la direction du champ engendré par l'anneau magnétiquement permanent 5 dans ledit entrefer, et que la direction du champ que la bobine 9 engendre dans l'entrefer entre l'ensemble de dents de stator 12 et la denture de ro- tor 16 cotncide avec celle du champ engendré dans ledit en- trefer par l'anneau 5. Lorsqu'à l'instant t1 un courant +I est four- ni à la bobine 8 cependant que la bobine 9 reste non exci- tée, le champ magnétique dans l'entrefer entre l'ensemble de dents de stator 10 et la denture de rotor 14 engendre un couple qui oriente les dents de rotor vers les dents de l'ensemble de dents de stator 10, et du fait que le rotor est mobile, il s'installe alors la situation que montre la figure 2. Lorsqu'à l'instant t2 la bobine 9 est excitée par un courant +I cependant que la bobine 8 n'est pas excitée, le champ qui règne dans l'entrefer entre l'ensemble de dents de stator 12 et la denture de rotor 16 engendre un couple qui tend à orienter les dents de l'ensemble 12 en face des dents de la denture de rotor 16, et le rotor se déplace d'un quart de pas de dent. L'excitation subséquen- te de la bobine 8 à l'instant t3 par un courant -I a comme résultat que les dents de lensemble de dents de stator 11 s'orientent vers les dents de la denture de rotor 15, tandis qu'une excitation subséquente de la bobine à instant t4 par un courant -I a cqmme conséquence que les dents de la denture 17 s'orientent vers les dents de l'ensemble de dents de stator 13. De cette façon, à partir de sa position (0 que montre la figure 2, le rotor se déplace en pas con- sécutifs de 90 vers les positions 900, 1800, 2700 et 3600. Dans le cas d'excitation biphase illustrée sur les figures 3c et 3d, le rotor subit chaque fois l'in- fluence de couples qui se manifestent dans deux paires formées par un ensemble de dents de stator et une denture de rotor. L'excitation, par exemple à l'instant t1, des bo- bines 8 et 9 par un courant +I dans chaque bobine, a comme résultat que les champs qui règnent dans les entrefers en- tre l'ensemble de dents destator 10 et la denture de rotor 14 et entre l'ensemble de dents de stator 12 et la denture de rotor 16, engendrent des couples qui résultent en un dé- placement du rotor vers une position qui se trouve à une distance angulaire de 450 de la position illustrée sur la figure 2. Du fait d'exciter consécutivement les bobines 8 et 9 d'une facçon illustrée sur les figures 3c et 3d, le rotor se déplace, en pas couvrant 900, successivement vers des positions 450, 135 , 2250 et 3150. La figure 4 est un diagramme vectoriel dans lequel la direction des vecteurs indique la position vers laquelle le rotor est forcé en présence d'une excitation déterminée du stator, la longueur de vecteur étant une me- sure de l'ampleur du couple d'entraînement. Par addition vectorielle des vecteurs appartenant à ladite excitation déterminée, on oblient le vecteur qui appartient à la somme des vecteurs pour cette excitation. Les vecteurs P1, P2, P3, P4 concernent l'excitation monophase de la bobine par un courant +I, dela bobine 9 par un courant +I, de la bobi- ne 8 un courant -I et de la bobine 9 par un courant -I. Lorsqu'il s'agit d'un moteur idéal, les couples correspon- dants sont égaux. Du fait que dans la pratique, la perméance des mies qui de l'anneau magnétiquement permanent 9 con- duisent vers les ensembles de dents de stator 10, 11, 12 et 13 n'est pas la même dans toutes ces voies, le rotor a, en cas de non excitation du moteur, néanmoins une position pré- férentielle qui, du fait que la perméance des voies con- duisant vers les ensembles de dents de stator 11 et 12 est plus petite que celle des voies conduisant vers les ensembles de dents de stator 10 et 13 ainsi que du fait que le stator est symétrique par rapport à l'anneau magnétique- ment permanent 5, se-situe environ sur 1350. Sur la figure 4, le vecteur qui symbolise cette positkn et l'ampleur du couple de collage afférent est indiqué par Pd* En cas d'excitation du moteur, les vecteurs qui correspondent à cette excitation se trouvent du fait d'additionner au vecteur Pd chaque fois le vecteur affé- rent P1, P2, P3 o P4. A remarquer à ce sujet que héorique- ment ceci n'est pas tout à fait correct entre autres en raison du fait que le couple réel ne correspond pas entiè- rement à la somme du couple idéal et du couple de collage en situation de non excitdion. En situation d'excitation, on peut supposer également l'existence d'un vecteur Pd qui a la même direction que le couple de collage mais dont la longueur toutefois diffère entre autres par suite de satu- ration survenant en conséquence de l'excitation, et ledit couple Pd qui dans ce cas ne doit pas aioir la même longueur pour toutes les situations d'excitation, fournit, en coopé- ration avec le couple "idéal", le couple réel. On constate toutefois que dans le cas o le moteur ne diffère pas trop d'un moteur idéal, cette façon de présenter les choses cor- respond assez bien à la réalité. Sur la figure 4, les vecteurs P1, P 2, P3, et P4 représentent, dans cet ordre de succession, la somme des vecteurs P1, et Pd, des vecteurs P2 et Pd, des vecteurs P3 et Pd et des vecteurs P4 et Pd* En conséquence de la pré- sence du couple Pd, les positions de rotor en cas des dif- férentes excitations monophases diffèrent donc des positions idéales, E les pas angulaires ne sont pas égaux. En cas de ce genre d'excitations, les positions de rotor réelles sont les positions cc,, 90D + Pl, i8O - P, et 270 - "1' de sor- te que les-erreurs de pas angulaires sont égales à %1 - 1, à 2 1 et à 2.cc1. De plus, l'ampleur des couples n'est plus la même, ce qui toutefois est beaucoup moins gênant que l'apparition d'erreurs de pas angulaire. La figure 5 montre le m me diagramme vecto- riel que la figure 4, cette fois-ci toutefois pour l'exci- tation biphase dont il a été question en référence aux fi- gures 3c et 3d. Sur ladite figure 5, les vecteurs P12e P23' P34 et P41 représentent les couples qui, en cas d'excita- tion biphase, se manifesteraient dans un moteur idéal et qui se forment du fait de combiner les vecteurs P1 et P2, les vecteurs P2 et P, les vecteurs P3 et P4 et les vec- teurs P4 et Pl. Les vecteurs P 12, P23 P 34 et P41 re- présentent les couples réels et sont obtenus du fait d'ad- ditioener au vecteur Pd vectoriellement chacun des vecteurs P12, P23, P34 et P41. Dans ce cas, les positions du rotor qui appartiennent aux vecteurs P41 et P23 s'avèrent être non modifiées par rapport aux positions des vecteurs P41 et P.., tandis que es positions du rotor qui appartien- 1 1 nent aux vecteurs P12 et P1 sont affectées d'une er- 12 34 reur d'angle "2. Dans ce cas également, l'ampleur des couples n'est plus la même. Conformément à l'invention, l'élimination desdites erreurs de pas angulaire est possible grandement en cas d'excitation nominale par la réduction de l'ampli- tude de la perméance de l'entrefer entre l'ensemble inté- rieur de dents de stator 11 et la denture de rotor 15 et de l'entrefer entre l'ensemble intérieur de dents de sta- tor 12 et la denture de rotor 16 comparativement à l'ampli- tude de la perméance de l'entrefer entre l'ensemble exté- rieur de dents de stator 10 et la denture de rotor 14 et de l'entrefer entre l'ensemble extérieur de dents de stator 13 et la denture de rotor 17, ce qui résulte en une augmen- tation des couples excercés sur les ensembles extérieurs de dents de stator comparativement aux couples excercés sur les ensembles intérieurs de dents de stator. Etant donné qu'en plus des perméances, les couples sont fonction éga- lement de l'intensité du courant d'excitation dans les bo- bines 8 et 9, une correction visant l'élimination d'er- reurs de pas angulaire n'est valable que pour un seul cou- rant d'excitation nominal déterminé. La correction indis- pensable des perméances peut avoir lieu par voie expéri- mentale ou être calculée par ordinateur. Il existe d'innombrables façons pour réduire les perméances des entrefers entre les ensembles inférieurs de dents de stator et les dentures de rotor comparative- ment aux perméances cEs entrefers entre les ensembles exté- rieurs de dents de stator et les dentures de rotor. A ce sujet, les figures 6, 7 et 8 illustrent trois possibilités. La figure 6 montre la moitié de la coupe sui- vant la figure 1 sur laquelle la hauteur axiale des dents des ensembles de dents de stator 10 et 13 est égale à hi, alors que celle des dents des ensembles de dents de sta- tor 11 et 12 est égale à h2. Or, du fait de choisir h1 in- férieure à h2, l'effet que préconise l'invention est réali- sable. Au lieu d'être pratiquées dans le stator, ces hau- teurs de dent inégales le sont évidemment aussi dans le ro- tor, ou dans les deux. La figure 7 montre la même coupe que la figu- re 6, cette-fois ci toutefois avec des dents de stator qui ont la.méme hauteur. Dans ce mode de réalisation, la dis- tance entre d'une part les dents des ensembles de dents de stators 10 et 13 et d'autre part les dents des dentures de rotor 14 et 17 est égale à d2, cette distance d étant in- férieure à la distance dl qui existe entre d'une part les dents des ensembles de dent de stator 11 et 12 et d'autre par les dents des dentures de rotor 15 et 16. De la même façon que la figure 2, la figure 8 illustre la position que les dents des ensembles de dent de stator 10, 11, 12 et 13 occupent par rapport aux dentu- res de rotor 14, 15, 16 et 17 dans un moteur pas à pas con- forme à l'invention. Dans ce mode de réalisation, la lar- geur tangentielle b2 des dents des ensembles de dents de stator 11 et 12 est choisie inférieure à la largeur tan- gentielle b1 des dents des ensembles de dents de stator 10 et 13 pour établir de la sorte la différence désirée en perméance. Dans ce cas également, il est possible également de réaliser cette inégalité de dimension non pas dans les dents du stator mais dans celles du rotor. Il REVENDICATIONS 1. Moteur pas à pas muni d'un stator (2) et com- portant au moins: - - une première partie de stator annulaire (3) avec une bo- bine annulaire (8) et une enveloppe magnétiquement con- ductrice (6) entourant ladite bobine et se terminant par des premier (10) et deuxième (11) ensemble de dents de stator, - une deuxième partie de stator annulaire (4) avec une bo- bine annulaire (9) et une enveloppe magnétiquement con- ductrice (7) entourant ladite bobine et se terminant par des troisième (12) et quatrième (13) ensemble de dents de stator, - une partie annulaire magnétiquement permanente (5) ai- mantée axialement et située entre lesdites parties de stator tout en étant coaxiale à celles-ci, les deuxième (11) et troisième (12) ensembles annulaires de dents de stator étant limitrophes de cette partie magnétiquement permanente, et - un rotor (1) à denture (14, 15, 16, 17) qui coopèrent avec les premier (10), deuxième (11), troisième (12) et quatrième (13) ensembles de dents de stator (2) et par rapport auxquelles les premier (10) et deuxième (11) en- semhles de dents de stator forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 1800, les troisième (12) et quatrième (13) ensembles de dents de stator for- ment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à éo8, les premier (10)et quatrième (13) ensembles de dents de stator forment entre eux un angle électroma- gnétique nominal égal à 90e, et les deuxième (11) et troisième (12) ensembles de dents de stator forment en- tre eux un angle électromagnkique nominal égal à 90', caractérisé en ce que pour réduire les erreurs de pas an- gulaire en présence d'une excitation déterminée, les dimensions géométriques des dents des deuxième (11) et troisième (12) ensembles de dents de stator en relation avec les dents formant les dentures de rotor (15, 16) coopérant avec ces deux ensembles de dents de stators dif- fèrent des dimensions géométriques des dents des premier (10) et quatrième (13) ensembles de dents de rotor en re- lation avec les dents formant les dentures de rotor (14, 17) coopérant avec ces deux ensembles de dents de stator, de telle façon qu'en fonction de la position du rotor, l'amplitude de la perméance de l'entrefer entre les dents des deuxième (11) et troisième (12) ensembles de dents de stator (2) et celles des dentures (15, i6) de rotor (1) coopérant avec ceux-ci, est au moins 1% inférieure à lfam- plitude de la perméance de l'entrefer entre les dents des premier (10) et quatrième (13) ensembles de dents de sta- tor et celles des dentures (14, 17) de rotor coopérant avec ceux-ci, les diminutions géométriques des dents du deuxième (11) ensemble de dents de stator étant égales à celles des dents du troisième (12) ensemble de dents de stator, ce qui est le cas aussi de celles des premier (10) et quatrième (13) ensembles de dents de stator. 2. Moteur pas à pas selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'en direction axiale, la hauteur des dents des deuxième (11) et troisième (12) ensembles de dents de stator (2) et/ou la hauteur des dents de dentures (15, 16) de rotor'(1) qui coopèrent avec ces dents de stator est (sont) inférieure (s) à la hauteur des dents des premier (10) et quatrième (13) ensembles de dents de stator (2) et/ou la hauteur des dents de dentures (14, 17) de rotor (1) qui coopèrent avec ces dents de stator. 3. Moteur pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance radiale entre les dents des deuxième (11) et troisième (12) ensembles de dents de stator (2), et les dents de dentures (15, 16) de rotor (1) qui coopèrent avec ces dents de stator est supérieure à la distance radiale entre les dents des premier (10) et quatrième (13) ensembles de dents de stator et les dents de denture (14, 17) de rotor (1) qui coopèrent avec ces dents de stator. 4. Moteur pas à pas selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la largeur tangentielle des dents des deuxième (11) et troisième (12) ensembles de dents de sta- tor (2) et/ou la largeur tangentielle des dents de den- tures (15, 16) de rotor (1) qui coopèrent avec ces dents de stator est (sont) inférieure (a) à la largeur des dents des premier (10) et quatrième (13) ensembles de dents de stator (2) et/ou la largeur des dents de dentu- res (14, 17) de rotor (1) qui coopèrent avec ces dents de stator.