Brevet FR2461393A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un moteur électrique à courant alternatif à rotor oscillant à aimantation permanente en particulier pour l'entrainement d'une brosse à dents fixée à l'axe du rotor, selon un mouve- ment oscillant, avec un aimant permanent aimanté dia- métralement comme rotor et une bobine fixe. De tels moteurs électriques connus (brevet FR 1470893) ont une structure de stator assez complexe avec plusieurs parties de stator de longue portée en section en forme de double T, ou approximativement en forme de Z, dont les traverses intérieures forment des pôles courbés du stator et dont les entretoises médianes portent les bobines qui les entourent. Dans une brosse à dents électrique connue, à mouve- ment oscillant, telle que décrite dans le brevet DE 1 119 819, le moteur est monté dans une poignée con- stituant le boîtier de l'appareil et est équipé d'un rotor oscillant à la fréquence du courant d'alimenta- tion. Le rotor est fixé sur un axe sur lequel on peut fixer une brosse à dents enfichable. Lorsque ce moteur est branché sur le réseau d'alimentation, la brosse à dents oscille à la fréquence du réseau. Le rotor oscil- lant de ce moteur connu se présente sous la forme d'un rotor à pôles saillants formé par des pièces polaires en fer doux portées par un aimant permanent, ce rotor étant maintenu dans sa position de repos par un ressort de rappel. Le stator présente deux pièces polaires orien- tées selon la direction longitudinale du boîtier et opposées diamétralement. Ces pièces polaires sont pro- longées dans la zone du rotor en direction de l'extrémi- té postérieure du boîtier, ces prolongements étant reliés par une culasse qui porte le bobinage du stator. Le but de la présente invention est de créer un moteur oscillant qui présente un rendement sensiblement 246 1393 -2- supérieur aux moteurs oscillants connus, de telle sorte qu'il est possible d'obtenir un même couple avec une puissance consommée réduite ou un couple plus élevé pour une même puissance consommée. Ce moteur est particu- lièrement compact et simple à fabriquer. Le rendement plus élevé permet en particulier d'alimenter un tel moteur avec une basse tension, par exemple 20 V, ce qui est particulièrement avantageux, pour des raisons de sécurité, lorsqu'il s'agit d'entraîner des brosses à dents électriques ou des appareils de massage. Un tel appareil manuel peut être avantageusement alimenté à travers un transformateur à partir du réseau et n'a pas besoin de satisfaire à des exigences très strictes en ce qui concerne son isolation. Dans le moteur selon l'invention, la bobine entoure cet aimant permanent et son axe est perpendiculaire à l'axe du rotor. Les spires de la bobine sont sensible- ment rectangulaires et le stator est constitué par une partie tubulaire du boîtier, coaxiale à l'axe du rotor, en matériau magnétisable, entourant la bobine et la forme extérieure de la bobine est adaptée à la forme intérieure du stator de telle manière que la bobine occupe la presque totalité de l'espace libre entre le rotor et le stator. Ce moteur a pour avantage une construction très simple qui occupe un espace très réduit, et un rendement optimum, parce que le simple aimant permanent cylindri- que qui forme le rotor est entouré sur toute sa longueur par la bobine fixe, laquelle de son côté est montée à l'intérieur du simple stator tubulaire. Dans cet ar- rangement compact avec un rotor coaxial au boîtier de stator et une bobine disposée entre le rotor et ce boîtier et occupant pratiquement tout l'espace libre dans l'intérieur du stator, les pertes par dispersion sont réduites à un minimum. En outre, l'espace occupé -3 par la bobine et le stator est utilisé d'une manière optimale. La bobine peut avantageusement être constituée de l'assemblage de deux bobines partielles sensiblement identiques, dont la surface de contact passe au moins approximativement par l'axe du rotor, ces bobines par- tielles pouvant être- montées en série ou en parallèle selon la tension d'alimentation utilisée. Selon une forme d'exécution préférée de l'inven- tion, le boîtier de stator tubulaire présente une sec- tion rectangulaire avec une paire de faces latérales larges et une paire de faces latérales étroites, les faces larges formant des pôles privilégiés et par là une géométrie à réluctance variable dépendant de la position du rotor, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des pièces polaires particulières ou des pôles saillants réalisés d'une autre manière. Grâce à cette géométrie, le couple exercé sur le rotor par le champ magnétique de la bobine est renforcé par le couple statique provenant de la forme rectangulaire du stator qui tend à faire tourner le rotor de telle manière que la direction d'aimantation de l'aimant permanent soit parallèle aux faces latérales étroites du rotor. Afin d'utiliser de façon optimale cet effet favorable, l'axe de- la bobine doit être orienté perpendiculairement aux faces larges du stator et le rotor doit être maintenu dans sa posi- tion de repos par un moyen de rappel approprié, par exemple un ressort de rappel, dans une position dans laquelle la direction du champ magnétique diamétral du rotor est perpendiculaire à l'axe de la bobine et par conséquent parallèle aux faces larges du stator. Un effet semblable est obtenu avec un stator ayant une section octogonale avec une paire de faces latérales opposées plus larges que les autres faces latérales. -4- En outre, le même effet peut également être obtenu au moyen d'un boîtier de stator cylindrique muni, sur sa face intérieure, de deux pôles saillants diamétralement opposés. Selon une forme d'exécution particulièrement simple du moteur selon l'invention, le stator est tout simple- ment constitué d'une douille cylindrique sans pôle saillant; dans ce cas la symétrie du stator entraîne une réluctance constante, de telle sorte qu'aucun couple statique additionnel n'agit sur le rotor. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'invention. Seuls les éléments électriques essentiels nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. La figure 1 représente une vue éclatée, en perspec- tive, d'une première forme d'exécution. La figure 2 représente la même exécution à l'état monté, le stator vu en coupe. La figure 3 est une vue en perspective d'une bobine partielle. La figure 4 représente, en coupe partielle, l'autre bobine partielle. La figure 5 est une vue en perspective du moteur monté. La figure 6 représente une vue éclatée, en perspec- tive, d'une seconde forme d'exécution. La figure 7 représente cette seconde forme d'exécu- tion à l'état monté le stator vu en coupe. La figure 8 est une vue en perspective d'une bobine partielle selon la seconde forme d'exécution. La figure 9 est une vue en perspective, partiel- lement en coupe, de l'autre bobine partielle selon la seconde forme d'exécution. La figure 10 représente une vue de l'extérieur du moteur selon la seconde forme d'exécution. -5- La figure 11 montre une section transversale d'un stator octogonal, en deux parties, d'une troisième forme d'exécution. Le moteur à courant alternatif représenté à la figure 1 comprend un stator 1 constitué par une pièce de boîtier tubulaire, de section rectangulaire, en matériau magnétisable et présentant une paire de faces larges la et une paire de faces étroites lb. Le rotor fixé sur l'axe 5 est constitué d'un aimant permanent cylindrique 4 aimanté diamétralement de manière à présenter deux pôles N et S. L'axe 5 peut être en matériau magnétique. L'aimant permanent 4 est entouré sur toute sa longueur par une bobine constituée de deux bobines partielles 2 et 3 et dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du rotor 5 et perpendiculaire aux faces larges la du stator 1, le sens du bobinage étant indiqué par des flèches à la figure 2. Les spires de la bobine sont sensiblement rectangulaires et sont adaptées à la sec- tion axiale de l'aimant permanent cylindrique 4. Les bobines partielles 2 et 3 sont construites de façon identique et sont en appui l'une contre l'autre par deux faces orientées parallèlement au plan des spires, dans un plan passant par l'axe du rotor; les bords des corps des bobines partielles s'étendant sensiblement diamé- tralement par rapport au rotor présentent en leur milieu des encoches approximativement semicirculaires 2a, 2b, respectivement 3a, 3b, qui forment des passages pour l'axe 5 du rotor. Le contour extérieur des deux bobines partielles 2 et 3 est adapté au contour intérieur du stator 1, de telle sorte que celui-ci entoure et main- tient en place la bobine, les ouvertures rectangulaires 2c respectivement 3c des bobines partielles se trouvant en face des faces larges la du stator. La forme inté- rieure des bobines partielles 2 et 3 est adaptée à la forme cylindrique de l'aimant permanent 4. Les bobines 2 -6- et 3 qui ont donc une forme de coquille, entourent ainsi complètement le rotor avec un faible jeu, les spires de la bobine occupant la presque totalité de l'espace libre entre le rotor et le stator. Au lieu de deux bobines partielles, facilitant le montage du moteur, il est bien entendu possible d'uti- liser une bobine en une seule pièce. Les faces frontales du stator l sont fermées par deux flasques 6 et 7 dont les dimensions sont adaptées à la section intérieure du stator. Ces flasques présentent un trou 8, respectivement 9 pour le passage de l'axe 5 du rotor. Ils peuvent être éventuellement en matériau magnétique. Ce moteur peut présenter par exemple une longueur d'environ 55 mm, une hauteur d'environ 20 mm et une largeur d'environ 15 mm. La puissance consommée lors- qu'il est alimenté à une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz, peut être située par exemple entre 1,3 et 1,6 W. Afin de réduire les pertes par courants de Fou- cault, il peut être avantageux de prévoir, dans les parois du stator 1, des fentes 10, représentées en traits mixtes à la figure 1, s'étendant parallèlement à un plan perpendiculaire à l'axe du rotor. Le moteur décrit travaille de la manière suivante le rotor 4 est maintenu dans sa positi:on de repos, représentée à la figur 2, dans laquelle la direction du champ magnétique diamÉ -ral du rotor et perpendiculaire à l'axe de la bobine, par un moyen de rappel, par exemple un ressort 20 entourant l'axe 5 du rotor. Si les bobines partielles 2 et 3, qui sont branchées en série ou en parallèle selon la valeur de la tension d'alimentation, sont alors traversées par un courant alternatif, la bobine produit un champ magnétique alternatif H dans lequel l'aimant permanent 4 de moment magnétique m subit un couple alternatif M = m H sin o, o(, étant l'angle entre la direction du champ magnétique H et la direction -7- de l'aimantation du rotor, cet angle ci étant égal à 900 dans la position de repos représentée à la figure 2. Le rotor est donc entraîné dans un mouvement oscillant de part et d'autre de sa position de repos, ceci à la fréquence de la tension d'alimentation. La forme rectangulaire du boîtier de stator 1 a deux effets favorables supplémentaires. Premièrement, cette géométrie permet, pour une quantité donnée de fil de cuivre bobiné, d'obtenir un champ relativement élevé dans la direction de l'axe de la bobine. Deuxièmement, le circuit magnétique présente une réluctance qui dépend relativement fortement de l'angle entre l'axe d'aiman- tation du rotor 4 et le grand axe de symétrie de la section rectangulaire du stator, étant donné que les deux larges faces la du stator remplissent la fonction de pôles privilégiés l'effet de cette réluctance varia- ble est le suivant: lorsque le rotor est un peu écarté de sa position de repos représentée à la figure 2, qui est une position d'équilibre instable, en l'absence d'un champ de bobine, un couple statique agit sur le rotor, couple qui tend à faire tourner le rotor dans une posi- tion dans laquelle la réluctance du circuit magnétique est minimale; dans cette position, qui diffère de 900 de la position de repos, la direction d'aimantation du rotor coïncide avec le petit axe de symétrie de la section du stator. Ce couple statique renforce avanta- geusement le couple engendré par le champ de la bobine et favorise ainsi l'oscillation du rotor. On peut également mettre en évidence cet effet de renforcement du couple utile en considérant que dans l'expression mathématique du couple M, rappelée plus haut, le moment magnétique M du rotor dépend de l'angle A7. Dans des conditions magnétiques et électriques données, l'amplitude de l'oscillation du rotor dépend de -8- la charge extérieure et de l'accord du système oscillant mécanique, c'est-à-dire de la masse du rotor et de l'objet fixé au rotor, de la caractéristique du ressort de rappel et de l'amortissement, respectivement du frottement. Dans certaines conditions cette amplitude d'oscillation peut être de 180 et même davantage. Si on ne prévoit aucune mesure pour limiter l'angle d'oscil- lation du rotor, celui-ci est libre et le moteur peut se comporter comme un moteur synchrone tournant monophasé. Pour l'application particulière du moteur à l'entraî- nement d'une brosse à dents, l'angle d'oscillation du rotor est toutefois limité à 600 ou moins. Le second exemple d'exécution représenté aux fi- gures 6 à 10 se distingue de la première forme d'exécu- tion en ce que le stator Il est constitué par une douil- le cylindrique, que la surface extérieure de la bobine, constituée comme précédemment de deux bobines partielles 12 et 13, est cylindrique pour s'adapter à la forme intérieure du stator, et que les flasques frontaux 16 et 17, munis de-trous 18 et 19 pour le passage de l'arbre 5 du rotor, sont circulaires pour s'adapter à la section intérieure du stator 11. Le rotor est constitué, comme dans la première forme d'exécution, d'un aimant perma- nent cylindrique fixé sur un axe 5 et aimanté diamé- tralement. A l'exception de la forme extérieure de la bobine, les deux bobines partielles 12 et 13 sont bo- binées de la même façon et présentent la même orienta- tion par rapport au rotor que dans la- première forme d'exécution. Pour obtenir l'effet avantageux d'un couple sta- tique additionnel, tel que décrit en relation avec la première forme d'exécution, il est prévu ici deux pièces polaires indépendantes 14 et 15, en matériau magnéti- sable, diamétralement opposées à l'intérieur du stator 11. Selon la figure 6, ces pièces polaires 14 et 15 ont 246 1393 -9- la forme de segment de cylindre creux adaptée aux ouver- tures 12c et 13c des bobines partielles 12 et 13, de telle sorte que lorsque le moteur est monté ces pièces polaires s'engagent dans ces ouvertures, dans lesquelles elles sont maintenues par le stator 11. Ces deux pièces polaires statoriques, dirigées radialement vers l'inté- rieur, ont pratiquement le même effet statique que décrit en relation avec la première forme d'exécution, ce qui a pour conséquence que le rotor 4, aussitôt qu'il s'écarte un peu de sa position de repos telle que repré- sentée à la figure 7, subit un couple qui a tendance à le faire tourner de 900 par rapport à sa position de repos et qui se superpose au couple résultant du champ de la bobine. En plus de cet effet de réluctance varia- ble, les pièces polaires 14 et 15 ont pour effet de renforcer le champ efficace de la bobine. Les pièces polaires 14 et 15 pourraient être réalisées de toute autre manière et être rapportées ou venues d'une pièce avec le stator. En renonçant à l'effet statique additionnel, il est toutefois possible de réaliser un moteur selon l'inven- tion présentant un stator constitué simplement d'un cylindrique tel que le cylindre 11, sans pièces polai- res. Une telle construction est particulièrement simple et a pour avantage un équilibre indifférent en ce qui concerne la rotation du rotor. La figure 11 montre le stator 21 avec une section octogonale, d'une autre forme d'exécution du moteur selon l'invention, dans lequel comme dans la forme d'exécution de la figure 1, les deux moitiés des bo- bines, non représentées, ont leur contour extérieur adapté exactement à la forme intérieure du stator octo- gonal et occupent donc pratiquement tout l'espace libre entre le stator et le rotor. Pour faciliter la fabri- cation et le montage du moteur, le stator 21 selon la - 10 - figure 11, comporte deux parties 21' et 21" ayant la même forme de coquille et qui s'appliquent l'une contre l'autre dans un plan qui passe au moins approximative- ment par l'axe longitudinal du stator 21 et qui sont fixées l'une à l'autre d'une manière quelconque; cette fixation peut être réalisée, par exemple, au moyen de flasques, adaptés à la section octogonale du stator et qui, comme les flasques 6 et 7 selon la figure 1, for- ment des faces frontales du stator. Les deux faces latérales 21a opposées du stator 21 sont plus larges que les autres faces latérales, et l'axe de la bobine est perpendiculaire à ces faces latérales larges de telle manière qu'il y a des effets avantageux similaires à ceux décrits en relation avec le stator 1 de la figure 1 avec sa paire de faces latérales larges la et de faces latérales étroites lb. La distance entre les faces latérales du stator qui sont perpendiculaires aux dites faces larges 21a est entre 10% et 50%, de préférence %, plus large que la distance entre lesdites faces larges 21a. Dans le cas d'un stator rectangulaire selon la première forme d'exécution illustrée figure 1, la même indication pour les dimensions est aussi valable. Une forme de stator octogonale, selon la figure 11, apporte les avantages supplémentaires suivants: d'une part, le moteur peut être spécialement bien logé, en utilisant au mieux l'espace disponible, dans une poignée oblongue, de section ovale, d'une brosse à dents électrique qui est généralement équipée d'un tel bottier ovale et d'autre part la distance radiale maximum entre le rotor et le stator, comparée aux dimensions diagonales d'un stator rectangulaire, est réduite, ainsi le volume d'air, respectivement de cuivre, à l'intérieur du circuit magnétique est diminué et par conséquent le champ magné- tique est augmenté. En outre, on obtient une caractéris- - il - tique plus favorable du couple moteur en fonction de l'angle du rotor et à la fois un renforcement du couple statique. Bien entendu, le stator 1 respectivement 11 selon les formes d'exécution des figures 1 et 6 pourrait être également composé de deux moitiés analogues au stator selon la figure 11. Le moteur selon l'invention est avantageusement utilisé pour entraîner une brosse à dents électrique à brosse interchangeable et il est, à cet effet, monté dans un boîtier en forme de poignée; en raison de la faible puissance consommée, une telle brosse à dents électrique peut être avantageusement alimentée en basse tension, par exemple à travers un transformateur branché au réseau, de telle sorte qu'il ne pose pratiquement pas de problèmes d'isolation. Le moteur selon l'invention peut être cependant également avantageusement utilisé pour d'autres applications, par exemple pour les appa- reils de massage et pour toute application technique dans lesquels il importe d'obtenir un mouvement pério- dique rapide, par exemple dans de petites pompes. L'invention n'est pas limitée aux formes d'exécu- tion décrites, mais elle est susceptible de nombreuses variantes en ce qui concerne l'exécution et le montage des différentes parties du moteur, en particulier en ce qui concerne la section transversale du stator, qui peut être aussi ovale, carrée, ou généralement polygonale, et aussi en ce qui concerne la forme des bobines. 246 1393 - 12 - REVENDICATIONS 1. Moteur électrique à courant alternatif à rotor oscillant à aimantation permanente, en particulier pour l'entraînement d'une brosse à dents fixée à l'axe du rotor, selon un mouvement oscillant, avec un aimant permanent aimanté diamétralement comme rotor et une bobine fixe, caractérisé en ce que la bobine entoure cet aimant permanent et que son axe est perpendiculaire à l'axe du rotor, les spires de la bobine étant essentiel- lement rectangulaires, en ce que le stator est constitué par une partie tubulaire de bottier, coaxiale à l'axe du rotor, en matériau magnétisable, entourant la bobine, et en ce que la forme extérieure de la bobine est adaptée à la forme intérieure du stator de telle manière que la bobine occupe la presque totalité de l'espace libre entre le rotor et le stator. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine est constituée de deux bobines par- tielles gui ont au moins approximativement la même forme, appliquées l'une contre l'autre par deux faces sensiblement parallèles aux plans des spires et situées au moins approximativement dans un plan passant par l'axe du rotor, les bords des corps des bobines par- tielles, s'étendant sensiblement diamétralement par rapport au rotor, présentant, en leur milieu, des en- coches pour le passage de l'axe du rotor. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bobines partielles sont branchées en série ou en parallèle, selon la grandeur de la tension d'alimen- tation. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le stator tubulaire pré- sente une section polygonale, en particulier carrée, rectangulaire ou octogonale, l'axe de la bobine étant préférablement parallèle à une paire des faces latérales opposées du stator. - 13 - 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans un stator ayant une section rectangulaire ou octogonale, avec des faces latérales d'une paire de faces latérales plus larges que les autres faces laté- rales et formant des pôles privilégiés, l'axe de la bobine est perpendiculaire aux faces latérales plus larges du stator. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance entre les faces latérales du stator qui sont perpendiculaires aux dites faces larges est entre 10% et 50%, de préférence environ 30%, plus large que la distance entre les dites faces larges. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le stator tubulaire est cylindrique. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le stator cylindrique présente intérieurement deux pôles saillants diamétralement opposés dont la ligne de jonction est au moins approximativement paral- lèle à l'axe de la bobine. 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les pôles de stator sont constitués par des pièces indépendantes, en forme de segments de cylindre creux, emboîtées dans les ouvertures sensiblement rec- tangulaires des deux bobines partielles. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce que les deux parties frontales du stator tubulaire sont fermées par des flasques dont la forme est adaptée à la section du stator et qui présentent des passages pour l'arbre du rotor. 11. Moteur selon l'une quelconque des revendication 1 à 10, caractérisé en ce que la partie de boîtier tubulaire du stator est pourvue de fentes orientées parallèlement à un plan perpendiculaire à l'axe du rotor, pour réduire les courants de Foucault. - 14 - 12. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que dans la position de repos du rotor, position déterminée par un moyen de rappel, en particulier un ressort de rappel, le champ magnétique diamétral du rotor est essentiellement per- pendiculaire à l'axe de la bobine. 13. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, caractérisé en ce que le stator tubulaire est composé de deux moitiés, en forme de coquille, appliquées l'une contre l'autre dans un plan passant au moins approximativement par l'axe longitudinal du sta- tor.