Brevet FR2466131A1 — publié le 19810327

*. 1 246 61 31 La présente invention concerne un moteur électromagnétique pas à pas, monophasé bipolaire, pour pièce d'horlogerie, à mouvement rotatif à deux sens de rotation, comprenant un stator réalisé en matériau ferromagnétique doux et un rotor constitué par un aimant ayant au moins une paire de pô- les. Des moteurs électromagnétiquespas à pas monophasés bipolaires à deux sens de rotation sont connus et pour remédier aux inconvénients qu'ils présentent, la requérante a proposé une solution nouvelle dans sa demande de brevet qui porte le numéro d'enregistrement national français 79-06 030 et qui revendique le fait que le moment d'inertie, le volume et le nombre de paires de pôles du rotor sont combinés pour satisfaire à une certaine relation mathématique et que ledit rotor est entraîné dans un sens de ro- tation inverse au. sens préférentiel de marche quand la bobine du moteur reçoit des impulsions doubles de polarité alternée composées d'une pre- mière impulsion dont la polarité fait tourner le rotor d'un angle infé- rieur à un pas dans le sens préférentiel, ladite première impulsion étant immédiatement suivie par une secondeimpulsion dont la polarité est oppo- sée à la première, ladite seconde impulsion faisant tourner le rotor d'un pas entier dans le sens opposé au sens préférentiel. L'invention qui vient d'être citée s'applique essentiellement à une pièce d'horlogerie ne comportant qu'une aiguille des heures et une aiguil- le des minutes, c'est-à-dire à un moteur dont le rotor n'avance que d'un pas par minute. En effet, l'alourdissement proposé du rotor et partant la sûreté de marche dans les deux sens doit se payer par une augmentation de la consommation du moteur même en marche avant normale de la montre. Il s'en suit que ce type de moteur convient moins bien à une montre munie d'une aiguille des secondes o le rotor fait un pas par seconde. L'inven- tion citée exige également que la bobine du moteur soit attaquée par un type d'impulsion compositeset alternées, ce qui rend plus difficile la réa- lisation de son alimentation. C'est le but de la présente invention de proposer un moteur pas à pas monophasé bipolaire avec marche dans les deux sens de rotation qui remédie aux inconvénients cités dans lequel la consommation n'excède pas celle d'un moteur optimisé pour la marche avant seulement et dans lequel la bo- bine du moteur est attaquée par un type d'impulsion simple et alternée. C'est un autre but de la présente invention d'assurer un couple en marche arrière plus confortable que celui obtenu avec les systèmes de l'art antérieur et d'éviter un détecteur de force contre-électromotrice comme il est prévu dans certains de ces systèmes. Ces buts sont atteints grâce aux moyens revendiqués. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et des dessins dans lesquels: Les figures la, lb et lc représentent respectivement une exécution de principe d'un moteur monophasé, le signal d'attaque de ce moteur et la va- leur des couples en fonction de l'angle de rotation du rotor pour le sens préférentiel et selon l'art antérieur. La figure 2 représente la valeur des couples en fonction de l'angle de rotation du rotor si les impulsions d'attaque sont de polarité inverse à celle dessinée sous figure lb. La figure 3 représente une première variante d'une exécution de prin- cipe du moteur selon l'invention. La figure 4 représente une seconde variante d'exécution de principe du moteur selon l'invention. Les figures 5a et 5b sont des diagrammes qui montrent le fonctionne- ment du moteur dans le sens préférentiel en réponse à une impulsion norma- le, les deux bobines du moteurs étant couplées en série selon l'invention. Les figures 6a et 6b sont des diagrammes qui montrent le fonctionne- melt du moteur dans le sens préférentiel en réponse à une impulsion de sens opposé à l'impulsion normale, les deux bobines du moteur étant cou- plées en série selon l'invention. Les figures 7a et 7b sont des diagrammes qui montrent le fonctionne- ment du moteur dans le sens opposé au sens préférentiel en réponse à une impulsion normale, les deux bobines du moteur étant branchées en parallè- le selon l'invention. Les figures 8a et 8b sont des diagrammes qui montrent le fonctionne- ment du moteur dans le sens opposé au sens préférentiel en réponse à une impulsion de sens opposé à l'impulsion normale, les deux bobines du moteur étant couplées en parallèle selon l'invention. La figure 9 représente le signal d'attaque du moteur pour la marchie dans le sens opposé au sens préférentiel. La figure 10 montre un schéma d'alimentation du moteur selon l'inven- tion. La figure la représente, très schématisée, une exécution de principe d'un moteur pas à pas monophasé bipolaire de type connu. Un aimant perma- nent cylindrique l à alimentation diamétrale SN constitue le rotor de ce moteur. Son stator est composé d'une bobine 2 à un seul enroulement qui, lorsqu'elle est excitée, produit un flux magnétique qui est reporté à l'entrefer au moyen du noyau 3 et des pièces polaires 4a et 4b réalisées en matériau ferromagnétique doux. A l'arrêt, le rotor occupe la position de réluctance minimum telle qu'elle est montrée sur la figure la. Si une impulsion positive est envoyée à la bobine, le rotor tournera d'un pas, c'est-à-dire de-1800; une seconde impulsion, mais négative, permettra au rotor de poursuivre sa course dans le même sens et de franchir ainsi un nouveau pas et ainsi de suite. C'est ce qu'on appelle le sens préféren- tiel. La figure lb représente, en fonction du temps, un premier type d'im- pulsions simples dé polarité alternée qui font avancer le moteur dans le sens préférentiel. La durée de chaque impulsion est généralement compri- se entre 4 et 12 ms selon le moteur choisi. La figure lc représente la valeur des couples C qui agissent sur le rotor en fonction de son angle de rotation 0 au sens préférentiel est celui des valeurs négatives de l'angle de rota- tion 0 le flux de la bobine lorsque celie-ci est alimentée. De par la construc- tion du moteur, ces couples-sont déphasés de 450 environ l'un par rapport à l'autre. Si une impulsion positive alimente la bobine, le pôle 4a de- viendra un pôle nord et le pôle 4b, un pôle sud (voir figure la.) et le rotor tournera de 1800 dans le sens des aiguilles d'une montre. Les points S'2, SI et S2 sont des points d'équilibre stable en l'absence de courant (le point SI représentant la position du rotor telle que dessinée sur la figure la), alors que les points I'î et Il sont des points d'équi- libre instable. Dans le sens préférentiel, le rotor est amené du point Si au point Il par le couple mutuel Cab, le reste du parcours, deil à S2, se faisant grâce aux énergies cinétique et potentielle emmagasinées entre SI et Il. La surface A1 représente l'énergie utile que l'on peut fournir au moteur dans le sens préférentiel. La surface A2 représente l'énergie de maintien ou de positionnement (à laquelle il faut ajouter l'énergie due aux pertes par frottement). Comme ces deux énergies sont de sens opposés, il est nécessaire, pour que le rotor avance d'un pas, que AI soit supé- rieure à A2, ce qui est le cas pour les moteurs pas à pas du type connu. La figure 2 représente la valeur des couples en fonction de l'angle de rotation du rotor si les impulsions d'attaque sont de polarité inverse à celle dessinée à la figure lb. On peut se demander en effet si, dans le 246 61 31 mode d'alimentation connu de la figure lb, il ne suffirait pas, pour at- teindre le but fixé ici d'inverser la polarité du signal de commande pour inverser le sens de marche du moteur. La figure 2 montre à nouveau le couple de maintien Ca dont la polarité et l'amplitude n'ont pas changé puisque dépendantes de l'aimant seulement. L'amplitude du couple mutuel -Cab est également la même puisque résultanted'une impulsion de même am- plitude, mais sa polarité est inversée puisque résultante d'une impulsion de polarité opposée. On remarque ici que l'énergie utile que l'on peut fournir au moteur, représentée par la surface A'1 est plus petite que l'énergie de maintien A'2. En conséquence, le rotor n'est pas capable de tourner d'un pas dans le sens opposé au sens préférentiel. On pourrait atteindre le but fixé en augmentant l'amplitude de l'impulsion, ce qui amènerait le couple -C'ab, mais ceci constituerait un inconvénient majeur pour la réalisation de l'alimentation de commande. La figure 3 représente une première variante d'exécution de principe du moteur selon l'invention. Elle se distingue de l'exécution de l'art antérieur présentée en figure la par le fait que le stator du moteur por- te,sur son noyau 3, deux enroulements 5 et 6 bobinés côte à côte. Dans un exemple de bobinage, et pour le moteur dont on expliquera le fonctionne- ment plus loin, chaque enroulement comporte 7500 spires, la résistance et l'inductance d'un enroulement valant 1900 ohms et 1,63 henrys respective- ment. Cette première variante peut comporter une sous-variante si les en- roulements, au lieu d'être disposés l'un à côté de l'autre, sont bobinés l'un sur l'autre. La figure 4 représente une seconde variante d'exécution de principe du moteur selon l'invention. Par rapport à la figure la, on voit que le circuit magnétique comporte, outre les pièces polaires 4a et 4b et la culasse 9, deux noyaux 7 et 8 sur lesquels sont bobinés les enroulements et 6. D'autres variantes dé moteur pourraient être immaginées sans pour autant s'écarter de l'objet de l'invention pourvu qu'elles comprennent, sur un même circuit magnétique, deux enroulements distincts. L'invention est basée sur le principe de la mise en série ou en pa- rallèle des deux dits enroulements suivant que l'on désire que le moteur tourne dans le sens préférentiel ou dans le sens opposé au sens préféren- tiel respectivement. Par sens préférentiel, il faut entendre celui pour lequel la consommation du moteur est faible et partant celui qui est uti- lisé pour la marche normale de la montre. Par sens opposé au sens préfé- rentiel, il faut entendre celui pour lequel la consommation du moteur est 24 6 61 31 plus forte et partant celui qui est utilisé pour faire tourner occasion- nellement les aiguilles dans le sens inverse au sens normal, par exemple lorsqu'on désire mettre la montre à l'heure ou changer de fuseau horaire. Le principe de fonctionnement du moteur sera maintenant expliqué au moyen des graphiques 5a à 8b qui montrentquatre cas qui peuvent se présen- ter, deux dans le sens préférentiel et deux dans le sens opposé au sens préférentiel. Sens préférentiel Cas 1. Le moteur est alimenté par les impulsions simples et alter- 10.nées de la figure lb. Dans l'exemple choisi et pour un moteur donné, les impulsions ont une durée de 10 ms correspondant à une optimisation de la marche du moteur pour laquelle le rendement est maximum. Les enroulements et 6 des moteurs présentés en figures 3 et 4 sont couplés en série au moyen d'un système de commutateurs qui sera décrit plus loin. Avec les valeurs mentionnées plus haut pour les enroulements, la résistance est de R = 3800 A, le nombre de spires W = 15000 et l'inductance L = 6,52 H. Si l'on admet pour ce type de moteur un couple mutuel Cab par ampère-tour de 3,2, 10-7 Vs, le facteur de couplage qui se définît par le couple mu- tuel par ampère-tour fois le nombre de spires vaut Cab/i = 4,8 * 10-3 Vs. La figure 5a représente le courant i, l'angle 0 bobine est mise en court-circuit, ce qui a pour but d'amortir le mouve- ment résiduel du rotor en fin de pas. La courbe c la vitesse angulaire J en fonction de la position angulaire of du ro- tor et pour les mêmes conditions de charge de 0,3 p Nm. Le diagramme GJ porte en plus une échelle en temps qui permet de se rendre compte à quel moment est atteinte la vitesse 6) du rotor pour une position angu- laire 0 che normale de la pièce d'horlogerie. Cas 2. On suppose maintenant qu'à la suite d'un choc, par exemple, le rotor a progressé accidentellement d'un pas. On se trouvera alors dans la situation étudiée à propos de la figure 2. Le moteur va recevoir une impulsion négative qui aurait tendance à le faire reculer d'un pas. Les figures 6a et 6b montrent comment réagit le moteur à cette impulsion né- gative, toutes les autres conditions de couplage des enroulements étant égales à celles décrites dans le cas 1 ci-dessus. Les courbes 0 propos du cas 1 et l'entraînera dans le sens préférentiel. Sens opposé au sens préférentiel Cas'3. Le moteur est alimenté par les impulsions simples et alter- nées montrées en figure 9. Pour le même moteur donné, les impulsions ont une durée de 4,5 ms. Les enroulements 5 et 6 des moteurs présentés en fi- gures 3 et 4 sont couplés en parallèle. Avec les valeurs mentionnées plus, haut pour les enroulements, la résistance est de R = 950 SI, le nombre de spires W = 7500 et l'inductance L = 1,63 H. Avec la même valeur de couple miutuel Cab par ampère-tour de 3,2 10-7 Vs, le facteur de coupla- ge est réduit à 2,4 * 10-3 Vs. La figure 7a représente le courant i, l'an- gle c<> et la vitesse angulaire (J en fonction du temps pour un couple utile de 0,2 y Nm dans le sens opposé au sens préférentiel. L'examen de la courbe du courant i dans la bobine montre que l'alimentation a lieu pendant 4,5 ms et qu'à partir de ce moment-là la bobine est mise en cir- cuit ouvert jusqu'à un temps t1 (tl = 14,5 ms), ce qui a pour but d'évi- ter le freinage dû au courant induit dans la bobine du moteur. A partir du temps t1 et jusqu'à l'arrivée de la prochaine impulsion motrice, la bobine est mise en court-circuit pour la même raison que celle exposée à propos du cas 1. Il faut remarquer ici que le courant i est beaucoup plus grand (pointe de l'ordre de 1300 1 A) que celui existant pour le sens préférentiel. Comme le sens opposé au sens préférentiel est occasionnel, cette augmentation de couirant n'entraîne qu'un raccourcissement négligea- ble de la durée de vie de la pile. La courbe o stationnement comme l'indique aussi la vitesse angulaire J.) qui est tom- bée à zéro. La figure 7b représente les diagrammes des couples moteur (Cab) et de positionnement (Ca) ainsi que la- vitesse angulaire W en fonction de la position angulaire i tions de charge de 0,2 1 Nm. Comme pour les cas précédents, le diagramme C porte en plus une échelle des temps en ms. Ce troisième cas est celui qui se présente quand on désire remettre rapidement la montre à l'heure ou que l'on désire encore corriger le fuseau horaire. Cas 4. Comme pour le cas 2, on suppose qu'à la suite d'un choc par exemple, le rotor a progressé accidentellement d'un pas. On se trouve alors dans la situation présentée dans les figures lb et lc. Le moteur va recevoir une impulsion positive qui va le faire progresser dans le sens préférentiel. Les figures 8a et 8b montrent comment réagit ce moteur à cette impulsion positive, toutes les autres conditions de couplage des enroulements étant égales à celles décrites dans le cas 3 ci-dessus. La bobine reçoit une impulsion de fort courant dans le sens préférentiel, ce qui provoque une vitesse angulaire élevée et le franchissement successif de deux pas pour une seule impulsion ( sion, négative cette fois, replacera le moteur dans les conditions de fonctionnement pour une marche dans le sens opposé au sens préférentiel, comme expliquées à propos du cas 3. Tous les graphiques présentés en figures 5a à 8b montrent clairement que le système de couplage des deux bobines, objet de l'invention, agit avec sOreté dans un sens comme dans l'autre: dans le sens préférentiel, il permet une construction optimale du moteur avec un consommation mini- male; dans le sens opposé au sens préférentiel, il permet un positionne- ment énergique grâce au courant développé dans les bobines mises en paral- lèle. On voit également que, à la suite d'un choc appliqué au rotor ou encore à une augmentation subite de la charge, le système ne réagit pas en réponse à une impulsion de mauvais sens dans le sens préférentiel ou réagit au contraire deux fois seulement en réponseà une impulsion de mau- vais sens dans le sens opposé au sens préférentiel, ce qui, pour l'usage qu'on veut en faire, ne prête pas à conséquence. Enfin, la figure lO'est un schéma d'alimentation du moteur selon l'invention. Les bobines 5 et 6 sont alimentées par la tension U. Les in- terrupteurs Tl à T4 produisent les signaux bipolaires tels que représen- tés en figure lb ou 9. Ils assurent également la mise en circuit ouvert ou en court-circuit des bobines du moteur. Les interrupteurs T5 à T7 as- surent le couplage série. - parallèle des deux bobines. Suivant qu'il s'a- git de sens préférentiel ou de sens opposé au sens préférentiel, on aura les situations suivantes 2466131 I Sens préférentiel T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 À Impulsion positive 0 - 10 ms fermé fermé ouvert ouvert fermé ouvert ouvert ms - 1 s fermé ouvert fermé ouvert fermé ouvert ouvert Impulsion _. _gative O - 10 ms ouvert ouvert fermé fermé fermé ouvert ouvert 10 ms - 1 s femné ouvert fermé ouvert fermé ouvert ouvert Sens opposé au sens préférentiel T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 Impulsion positive 0 - 4,5 ms fermé fermé ouvert ouvert ouvert fermé fermé 4,5 ms - 14,5 ms ouvert ouvert ouvert ouvert ouvert fermé fermé 14, 5 ms 1 s fermé ouvert fermé ouvert ouvert fermé fermé Impulsion négative 0 4,5 ms ouvert ouvert fermé fermé ouvert fermé fermé 4,5 ms- 14,5 ms ouvert ouvert ouvert ouvert ouvert fermé fermé 14,5 ms - 1 s fermé ouvert fermé ouvert ouvert fermé fermé Dans les techniques actuelles se sont des transistors qui jouent le rôle des interrupteurs. Ils sont commandés par des signaux émis du divi- seur de fréquence. REVENDICATIONS 1. Moteur électromagnétique pas à pas, monophasé bipolaire, pour pièce d'horlogerie, à mouvement rotatif à deux sens de rotation, compre- nant un stator réalisé en matériau ferromagnétique doux et un rotor cons- titué par un aimant ayant au moins un paire de pôles, caractérisé par le fait qu'il comprend deux enroulements bobinés sur le circuit magnétique du stator, qu'en réponse à un premier type d'impulsions le rotor est en- traîné dans un premier sens quand les deux dits enroulements sont connec- tés en série et qu'en réponse à un second type d'impulsions le rotor est entraîné dans un second sens opposé audit premier sens quand les deux dits enroulements sont connectés en parallèle. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor entraîne les aiguilles de la pièce d'horlogerie pour afficher le temps quand lesdits enroulements du moteur reçoivent ledit premier type d'impulsions. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit magnétique comprend un noyau sur lequel sont bobinés côté à côte les deux dits enroulements. 4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit magnétique comprend un noyau sur lequel sont bobinés l'un sur l'autre les deux dits enroulements. 5. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit magnétique comprend deux noyaux, chacun comportant l'un des deux dits enroulements. 6. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le- dit premier type d'impulsions comprend une suite d'impulsions simples de polarité alternée. 7. Moteur selon les revendications 1 et 6, caractérisé par le fait que les deux dits enroulements sont mis en court-circuit pendant la pé- riode qui sépare la fin d'une impulsion et le début de l'impulsion sui- vante. 8. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le- dit second type d'impulsions comprend des impulsions simples de polarité alternée et de sens opposé aux impulsions formant ledit premier type d'im- pulsions. 9. Moteur selon les revendications 1 et 8, caractérisé par le fait que les deux dits enroulements sont d'abord mis en circuit ouvert pendant la période qui sépare la fin d'une impulsion et un temps tl, puis mis en court-circuit pendant la période qui sépare ledit temps tI et le début de 246 61 31 X l'impulsion suivante. 10. Moteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la durée de ladite impulsion simple-est comprise entre 4 et 12 ms. il. Moteur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la durée de ladite impulsion simple est comprise entre 2 et 6 ms. 12. Moteur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le temps t1 a une valeur comprise entre 5 et 18 ms.