Brevet FR2459576A1 — publié le 19810109

"Moteur pas à pas" L'invention concerne un moteur pas à pas muni d'un stator et comportant au moins: - une première partie de stator annulaire avec une bobine annulaire et une enveloppe qui se termine par des premier et deuxième ensembles annulaires de dents de stator et qui de façon magnétiquement conductrice entoure ladite bobine annulaire, - une deuxième partie de stator annulaire avec une bobine annulaire et une enveloppe qui se termine par des troisième et quatrième ensembles annulai- res de dents de stator et qui de façon magnétiquement conductrice entoure ladite bobine annulaire, - une partie annulaire magnétiquement permanente ai- mantée axialement et située entre lesdites parties de stator tout en étant coaxiale à celles-ci, les premier et troisième ensembles annulaires de dents de stator étant limitrophes de cette partie magné- tiquement permanente, et - un rotor à dentures qui coopèrent avec les premier, deuxième, troisième et quatrième ensembles de dents de stator et par rapport auxquelles les premier et deuxièmes ensembles de dents de stator forment entre eux un angle magnétique 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 en- sembles de dents de stator forment entre eux un angle électromagnétique nominal à 90-, et les deuxième- et troisième ensembles de dents de stator enfin forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 90 . Un tel moteur pas à pas est connu de la demande de brevet français NI 2 358 046, et convient en particulier pour la réalisation de pas couvrant de très petits angles, par exemple i,8*. Dans ladite demande, il est préconisé que des différences en per- -2- méance des voies qui de la partie annulaire magnétique- ment permanente conduisent aux premier et deuxième en- sembles de dents de stator de même que des voies qui de ladite partie annulaire conduisent aux troisième et quatrième ensembles de dents de stator, donnent lieu à des couples asymétriques, 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 dans les voies en question. Dans la pratique, il s'avère très difficile de réaliser la même perméance dans lesdites voies. De plus on a constaté que lesdits couples asymétriques vont de pair avec des erreurs de pas angulaire qui sont beau- coup plus gênantes que les couples eux-m8mes. Or, l'invention a pour but de procurer un moteur qui appartient au genre mentionné dans le préambule mais lors du fonctionnement duquel les erreurs de pas angulaire sont éliminées grandement. A cet effet, l'invention est remarquable en ce que dans le but d'éliminer les erreurs de pas angulaire, l'angle formé entre les premier et quatrième ensembles de dents de stator par rapport aux dentures du rotor est égal à 90 . i alors que l'angle formé entre les deuxième. et troisième ensembles de dents de stator par rapport aux dentures du rotor est égal à 90- + e, la référence V,( ainsi que la référence /5 indiquant des angles positifs égaux à au moins 20, ces diffé- rences d'angle étant réalisées symétriquement, de sor- te que ledit angle entre les premier et deuxième ensem- bles de dents de stator est pratiquement égal à celui entre les troisième et quatrième ensembles de dents de stator. Par l'expression "angle électromagnétique de 3601" 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 qui au cours de son fonctionnement, couvre par pas -3- un angle de 1, 8.&, c'est-à-dire un moteur dont le rotor tourne sur 1,8 = à l'occasion de chaque pas et sur 7,2 e lors de chaque cycle de quatre pas, on a donc que 360 dégrés électromagnétiques correspondent à 7,2 degrés. spatiaux. L'invention repose sur l'idée que ladite inéga- lité 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'ex- citation donne lieu à des couplés inégaux dans les qua- tres phases d'excitation et à des pas angulaires diffé- rents entre les positions stable du rotor qui appartien- nenet aux quatre phases d'excitation, et que pour éli- miner les erreurs de pas angulaire il n'est pas néces- saire de supprimer ladite inégalité en perméance mais que du fait de modifier les angles entre les différents en- sembles de dents, il est possible d'éliminer lesdites erreurs. Au cours de la fabrication, les angles de correc- tion indispensables % cation de l'alignement du moteur. Un moteur pas à pas qui par excellence convient pour des corrections précises lors de l'alignement est décrit dans la demande de brevet néerlandais No 79 04817 déposée le 20/6/79 au nom de la De- manderesse et introduite simultanément avec laprésentedemande. Un moteur pas à pas conçu spécialement pour exci- tation monophase peut encore avoir la particularité que tant l'angle a que l'angle A sont positifs et au moins égaux à 1-, et que ces angles De son côté, un moteur pas à pas conçu spéciale- ment pour excitation biphase peut encore avoir la par- ticularité qu'un des deux angles Ok et / est pratique- ment égal à 0o, et que l'autre angle est égal à au moins 2e. Comme variante, il est toutefois possible également qu'un des deux angles avec laquelle sont effectués les pas. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut ftre réalisée. La figure 1 est une coupe d'un moteur pas à pas auquel l'invention est applicable. La figure 2 illustre de façon schématique les positions mutuelles des ensembles de. dents de stator et des dentures de rotor. La figure 3 montre quelques diagrammes devant expliquer l'excitation d'un moteur selon la figure 1. La figure 4 est un diagramme vectoriel servant à expliquer l'apparition d'erreurs de pas angulaire dans le cas d'un moteur selon la figure 1, à excitation monophase. La figure 5 est un diagramme vectoriel du genre de celui selon la figure 4, mais cette fois-ci en cas d'excitation biphase. La figure 6 est un diagramme vectoriel selon la figure 4 pour lequel on a pratiqué les corrections conformes à l'invention. La figure 7 est un diagramme vectoriel selon la fi- gure 5 sur lequel on a pratiqué les corrections selon l'invention. La figure 8 est un diagramme vectoriel selon la figure 5, la correction étant maintenant réalisée d'une autre façon comparativement à ce qui a été précisé à l'égard de la figure 7. La figure 1 est une coupe axiale d'un moteur pas à pas auquel il est possible d'appliquer le prin- cipe de l'invention. Le moteur est pratiquement à sy- métrie de révolution autour de l'axe A, et comporte un rotor 1 ainsi qu'un stator 2. Le stator est formé par deux parties coaxiales 3 et 4 auxquelles est coaxial un anneau magnétiquement permanent 5 aimanté axialement et situé entre les deux parties 3, 4. Chacune des parties -5- 3, 4 entoure une bobine annulaire 8, 9 qui est coaxia- le à la partie afférente 3, 4 et qui est entourée d'une enveloppe magnétiquement conductrice 6, 7 se terminant à l'intérieur par deux ensembles annulaires de dents de stator 10 - 11, 12, 13. Le rotor 1 est muni de dentures 14, 15, 16, 17 qui coopèrent avec lesdits ensembles annulaires 10, 11, 12, 13, La figure 2 montre schématiquement la position des ensembles de dents statoriques 10, 11, 12, 13 par rap- port aux dentures rotoriques 14, 15, 16, 17. Les dents de rotor sont alignées axialement de sorte que la ran- gée supérieure sur la figure 2 représente les dentu- res 14, 15, 16, et 17. (la situation inverse est possi- ble aussi, c'est-à-dire, les dents de stator étant ali- gnées axialement et les dents de rotor étant décalées par rapport aux dents de stator).) Pour une position déterminée du rotor, les dents de l'ensemble statori- que 10 se trouve en face des dents de rotor. (Comme le montre la figure 2) . Les dents de l'ensemble staton rique 11 doivent dans ce cas être décalées pratique- ment d'un angle de 1800 ou d'un demi-pas de dent par rapport aux dents de l'ensemble statorique 10. Les dents de l'ensemble 12 sont décalées de 906 ou d'un quart de pas de dent (ou de 3/4 de pas de dent vu dans l'autre direction) par rapport aux dents de l'ensemble 10, tandis que les dents de l'ensemble 13 sont décalées de 2701 ou de 3/4 de pas de dent ou de 1/4 de pas de dent vu dans l'autre direction) par rapport aux dents de l'ensemble 10. Il se peut également que les dents des ensembles 12 et 13 occupent exactement des posi- tions inverses. La figure 3 montre deux possibilités pour l'excita- tion du moteur selon la figure 1. Sur cette figure 1, le diagramme a montre l'allure du courant d'excitation pour la bobine 1, et le diagramme b l'allure du courant d'excitation pour la bobine 9 en cas d'excitation monophase. (chaque fois il est excité une seule bobine), -6- tandis que le diagramme ú montre l'allure du courant d'excitation et le diagramme.4 celle du courant d'ex- citation en cas d'excitation biphase. De plus, un courant +I est orienté de façon que d'une part la direc- tion du champ magnétique engendré par la bobine 8 dans l'entrefer entre l'ensemble de dents de stator 10 et la denture de rotor 14 coïncide avec la direction du champ magnétique qui par l'anneau 5 à aimantation permanente est engendré dans ledit entrefer, et que d'autre part la direction du champ magnétique engendré par la bobine 9 dans l'entrefer entre l'ensemble de dents de stator 12 et la denture de rotor 16 coïncide avec la direction du champ magnétique qui par l'anneau 5 est engendré dans ledit entrefer. Lorsqu'à l'instant t1 la bobine 8 reçoit un courant +I cependant que la bobine 9 reste non excitée, 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'en- semble statorique 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 reçoit un courant +I cependant que la bobine 8 n'est pas excitée, le champ qui règne dans l'entrefer entre l'ensemble statorique 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 16, et le rotor se déplace d'un quart de pas de dent. L'excitation subséquente de la bobine 8 à l'instant t3 par un courant -I a comme résultat que les dents de l'ensemble 11 s'orientent vers les dents de la denture 15, tandis qu'une excitation de la bobine 9 à l'instant t4 par un courant -I a comme conséquence que les dents de la denture 17 s'orientent vers celles de l'ensemble 13. De ce fait, à partir de sa position O' que montre la figure 2, le rotor se déplace en pas con- sécutifs de 90- vers les positions 900, 1800, 2700 et 360o. Dans le cas d'excitation biphase illustrée sur -7- 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 statoriques et une denture de rotor. Par exemple à l'instant t1 de llex- citation des bobines 8,et 9 par un courant +I dans chaque bobine, les champs qui règnent dans les entre- fers entre l'ensemble de dents de statorlO et la den- ture de rotor 14 et entre l'ensemble 12 et la denture 16 engendrent des couples qui résultent en un déplace- ment du rotor vers une position qui se trouve à une distance angulaire de 45 de la position illustrée sur la figure 2. Du fait d'exciter consécutivement les bobines 8 et 9 d'une façon illustrée sur les figures 3c et 3d, le rotor se déplace, en pas couvrant 90 , successivement vers les positions 45 , 1350, 2250 et 3I50. La figure 4 est un diagramme vectoriel dans lequel la direction des vecteurs indique la position vers laquel- le lermtor est forcé en présence d'une excitation détermi- née du stator, la longueur de vecteur étant une mesure de l'ampleur du couple d'entraînement. Par addition vectorielle des vecteurs appartenant à ladite excita- tion déterminée, on obtient le vecteur qui appartient à la somme des vecteurs pour cette excitation. Les vec- teurs P1, P2, P3 et P4 concernent l'excitation mono- phase de la bobine 8 par un courant +1, de la bobine 9 par un courant +I, de la bobine 8 par un courant -I et de la bobine 9 par un courant -I. Les ampleurs des couples afférente sont identiques lorsqu'il s'agit d'un moteur idéal. Du fait que la perméance des voies qui de l'anneau magnétiquement permanent 5 conduisent vers les ensembles de dents statoriques 10, 11, 12, et 13 n'est pas la mê- me dans toutes ces voies, le rotor a, en cas de non exci- tation du moteur, néanmoins une position préférentiel- le qui, du fait que la perméance des voies conduisant vers les ensembles de dents 11 et 12 est plus petite -8- que la perméance des voies conduisant vers les ensembles de dents 10 et 13 ainsi que du fait que le stator est sy- métrique par rapport à l'anneau 5, se situe environ sur -. Sur la figure 4, le vecteur qui symbolise cette po- sition et l'ampleur du couple de collage afférent est in- diqué par Pd. En cas d'excitation du moteur, les vecteurs qui correspondent à cette excitation se trouvent du fait d'ajouter au vecteur Pd le vecteur afférent P1., P2, P3 ou P4. A remarquer à ce sujet que théoriquement ceci n'est pas tout à fait correct etre autres en raison du fait que le couple réel ne correspond pas entièrement à la somme du couple idéal et du couple de collage en situation de non excitation. En situation d'excitation on peut supposer également l'existence d'un vecteur Pd qui a la mime direction que le couple de collage mais dont la longueur toutefois diffère entre autres par sui- te de saturations survenant en conséquence de l'excita- tion, et ledit couple Pd qui dans ce cas ne doit pas avoir la même longueur pour toutes les situations d'excitation, fournit, en coopération 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 correspond assez bien à la situation réelle. Sur la figure 4, les vecteurs Pl, P, Pl et P4 représentent, dans cet ordre de succession, la somme des vecteurs Pl et Pd, des vecteurs P2 et Pd' des vec- teurs P3 et Pd, et des vecteurs P4 et Pd* En conséquence de la présence du couple Pd' les positions de rotor en cas d'excitations monophases différentes diffèrent donc des positions idéales, et les pas angulaires ne sont pas égaux. En cas d'excitations monophases différentes, les positions de rotor réelles sont les positions sk, 900 + / 1' I80- 1 et 270- - " 1) de sorte que les erreurs de pas angulaire sont égales à A 1 - r à 2 A 1 et à 2 l'apparition d'erreurs de pas angulaire. La figure 5 montre le même diagramme vectoriel que la figure 4, cette fois-ci toutefois pour l'excita- tion biphase décrite en référence aux figures 3c et 3d. Sur ladite figure 5, les vecteurs P12, P23, P34 et P41 représentent les couples qui, en cas d'exci- tation biphase, se manifesteraient dans un moteur idéal et qui se sont formés du fait de combiner les vecteurs P1 et P., les vecteurs P2 et P., les vecteurs P et P et les vecteurs P4 et P1. Les vecteurs P1 P2., P,î4 et P41 représentent les couples réels et sont obtenus du fait d'additionner vectoriellement les vec- teurs P12 et Pdl les vecteurs P2, et Pd' les vecteurs P34 et Pd et les vecteurs P41 et Pd* Dans ce cas, les positions du rotor qui appartiennent aux vecteurs P411 et P s'avèrent être non modifiées par rapport aux positions des vecteurs P41 et P231 tandis que les posi- tions du rotor qui appartiennent aux vecteurs P 1 et P341 sont affectée par une erreur d'angle 6 2. Dans ce cas également, l'ampleur des couples n'est plus la même. Conformément à l'invention, lesdites erreurs de pas angulaire peuvent être éliminées si les angles formés entre les ensembles de dents de stator diffè- rent des angles nominaux 0 , 900, 1800 et 2700. La figure 6 montre un diagramme vectoriel appartenant à un moteur selon la figure 1, compensé à l'égard de son excitation monophase. Dans ce cas, on a imposé au premier ensemble de dents de stator un écart d'an- gle -*ô, au deuxième ensemble un écart d'angle -ô A, au troisième ensemble un écart d'angle + p et au qua- trième ensemble un écart d'angle +/-- diminué de '. Comme le montre la figure 6, les positions des vecteurs Pl., P2, P3 et P4 qui représentent les couples dans le moteur idéal, abstraction faite des positions mutuelles des ensembles de dents statoriques 10, 11, 12 et 13, deviennent les positions -1 i, 90 - % $, I80e + X, et 270 + l Uk. Le fait de composer chacun de ces vecteurs avec le vecteur Pd qui en conséquence des corrections peut varier en ampleur, fournit les vecteurs Pl. P2' P3 et P41. Il est facile de se rendre compte dans le cas d'un choix adéquat des angles t ett 1 1 1 1 que espositionsdesditsvecteurs Pl P2, P3 et P4 sont les positions 0 , 90e, 180 et 270 , de sorte que les erreurs de pas angulaire sont éliminées. Dans ce cas, en pré- sence de faibles écarts, on peut avancer qu'approxima- tivement, les angles de correction ",et/A nécessaires pour la compensation sont égaux aux erreurs de pas an- gulaire 2 ( 1 et 2 /1 dans le moteur non corrigé. (figure 4). Le diagramme vectoriel selon la figure 5 permet de se rendre compte qu'en cas d'excitation biphase, les positions des vecteurs P23 et P41 sont correctes, les vecturs231 et 11 positions des vecteurs P12 etP34 par contre ne l'é- tant pas. En cas d'excitation biphase, le moteur peut alors être compensé en ce qui concerne les erreurs si de façon symétrique l'on modifie l'angle entre seulement deux ensembles de dents de stator. La figure 7 explique cela pour le cas d'un moteur dans lequel l'angle entre les ensembles de dents de stator 11 et 12 est augmenté du montant /, de sorte que les positions des vecteurs P et P sont les positions 90 -5 3 et 180 +. 2 3 et100 &/ Du fait de composer les vecteurs Pl. P2 et le vecteur Pd d'une part et les vecteurs P3 4 P4 et le vecteur P d'autre part, on obtient les vecteurs P12 et P3 d 12 3 qui pour un angle p adéquat, ont les positions cor- rectes 45 et 225 . Approximativement, également l'an- gle de correction indispensable e s'avère être égal -11- à l'erreur de pas angulaire 2 tk. Sur la figure 7, les vecteurs p231 et P41t ont conservé leurs positions correctes 135 et 3150 bien que leurs longueurs se soient modifiées. Le vecteur P231 par -exemple est plus court que dans le cas selon la figure 5. La figure 8 illustre une variante dans le cas d'une excitation biphase, variante pour laquelle l'an- gle entre les ensembles de dents de stator 10, 14 est diminué d'un montant k. De la même façon que pour la figure 7, la composition des vecteurs P121 et P34 permet d'obtenir pour ceux-ci les positions correctes 45e et 2250 si l'on choisit adéquatement l'angle eN qui approximativement est égal à l'erreur de pas angulaire 2 C, 2* (figure 5). Dans la variante répondant à la figure 8, on a précisément augmenté la longueur du vecteur P23 par rapport à celle du vecteur P23 dans la situation selon la figure 5. Les longueurs des vecteurs P 2 et P 1 ont diminué, 12 34 tandis que dans la situation selon la figure 7, ces longueurs ont augmenté. Pour optimaliser le moteur en ce qui concerne l'ampleur des couples (correspon- dant aux longueurs des vecteurs afférents), il peut être avantageux de combiner, comme le montrent les diagrammes vectoriels selon les figures 7 et 8, les angles de correction la sorte, l'angle de correction total indispensa- ble b( + A est à nouveau approximativement égal à l'erreur de pas angulaire 2b 2' La méthode de correction illustrée en référence aux différents diagrammes vectoriels est valable aussi lorsqu'on échange les positions des ensembles de dents de stator 12 et 13 (positions 2701 et 901 au lieu des positions 90' et 270e) étant donné que dans ce cas également, la position du vecteur Pd change et devient approximativement la position 225 , ce qui correspond à l'image réfléchie des diagrammes vectoriels autour de l'axe o0 - 1800. -12- Au lieu des corrections pratiquées dans les po- sitions mutuelles des ensembles de gents de stator, il est évidemment possible aussi d'agir de la sorte en ce qui concerne les positions mutuelles des den- tures de rotor. L'angle de correction total indispensable tz, + " correspond approximativement à l'erreur de pas an- gulaire qui survient dans le moteur non corrigé. Un angle de correction égal par exemple bk+ A = 20 I0 est nécessaire dans le cas d'une erreur de pas an- gulaire d'environ v % d'un pas de dent. (correspon- dant à 360*). - 13 - REVENDICATIONS: 1. Moteur pas à pas muni d'un stator (2) et compor- tant au moins: - une première partie de stator annulaire (3) avec une bobi- ne annulaire (8) et une enveloppe (6) qui-se termine par o5 des premier (10) et deuxième (11) ensembles annulaires de dents de stator et qui de façon magn&tiquement conductrice entoure ladite bobine annulaire, - une deuxième partie de stator annulaire (4) avec une bobi- ne annulaire (9) et une enveloppe (7) qui se termine par des troisième (12) et quatrième (13) ensembles annulaires de dents de stator et qui de façon magnétiquement conduc- trice entoure ladite bobine annulaire, - une partie annulaire magnétiquement permanente (5) aiman- tée 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 perma- nente, et - un rotor (1) à dentures (14,15,16,17) qui coopèrent avec les premier, deuxième, troisième et quatrième ensembles de dents de stator et par rapport auxquelles les premier et deuxième ensembles de dents de stator forment entre eux un angle magnétique nominal égal à 180 , les troisième et quatrième ensembles de dents de stator forment entreeux un angle électromagnétique nominal égal à 180 , les premier et quatrième ensembles de dents de stator forment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 900, et les deu- xième et troisième ensembles de dents de stator enfin for- ment entre eux un angle électromagnétique nominal égal à 90 , caractérisé en ce que dans le but d'éliminer les erreurs de pas angulaire, l'angle formé entre les premier et quatrième ensembles de dents de stator par rapport aux dentures du rotor est 6gal à 90e -_ alors que l'angle formé entre les deuxième et troisième ensembles de dents de stator par rap- port aux dentures du rotor est égal à 90 + À, la référence _ i4 - égaux à au moins 20, ces différences d'angles étant réali- sées symétriquement, de sorte que ledit angle entre les pre- mier et deuxième ensembles de dents de stator est pratique- ment égal à celui entre les troisième et quatrième ensem- bles de dents de stator. 2. Moteur pas à pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce que tant l'angle ( que l'angle A sont posi- tifs et au moins égaux à 1 , et que ces angles t et sont pratiquement égaux. 3. Moteur pas à pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'un des deux angles ment égal à 0 , et que l'autre angle est égal à au moins 2 . 4. Moteur pas à pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'un seul des angles c