Brevet FR2461392A1 — publié le 19810130

La présente invention a pour objet un moteur électromagnétique à deux sens de rotation, ce qui est connu en soi. Le brevet français No. 2 209 251, par exemple, décrit un moteur comportant deux bobines qui sont excitées à tour de rôle pour provoquer la rotation du rotor du moteur dans un sens ou dans l'autre, par pas de 180 degrés. Chaque bobine doit être dimensio-née de manière à fournir, à elle seule, l'énergie nécessaire à cette rotation, c'est-à-dire que chaque bobine doit avoir le même volume que celle d'un moteur pas à pas classique à un seul sens de rotation. La demande de brevet suisse No. 10.768/71 décrit un moteur pas à pas à deux sens de rotation comportant une seule bobine, mais dont le rotor tourne de 360 degrés par pas, ce qui est un inconvénient du point de vue mécanique car la démultiplication entre le moteur et les organes qu'il entraîne doit être importante. Le brevet U.S.A. No. 4 112 671 décrit un moteur pas à pas à deux sens de rotation comportant une seule bobine et dont le rotor ne tourne que de 180 degrés par pas. Un circuit électronique commande la rotation dans un sens ou dans l'autre. Ce genre de moteur présente un défaut majeur en ce sens que, s'il vient accidentellement à sauter un pas ou à faire un pas de trop, son sens de rotation s'inverse. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en fournissant un moteur électromagnétique à deux sens de rotation, dont le rotor tourne de 180 degrés par pas, toujours dans le sens désiré, même après un pas manqué ou un pas de trop. Le moteur possède deux bobines excitées simultanément et non de façon alternée ces bobines ont donc un volume total sensiblement égal au volume de la bobine unique d'un moteur à un seul sens de rotation. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur électromagnétique à deux sens de rotation, comportant un rotor et un stator à deux bobines, caractérisé par le fait que ledit stator est agencé de manière à soumettre ledit rotor à deux champs magnétiques, respectivement créés par lesdites bobines, et dont les directions sont obliques et sen siblement symétriques par rapport à un diamètre du rotor. Les directions des deux champs magnétiques peuvent notamment faire entre elles un angle de sensiblement 90 degrés. Dans un mode de réalisation préféré d'un tel moteur, le stator présente trois épanouissements polaires entourant ledit rotor. L'un est commun aux deux bobines et il possède une partie centrale proche du rotor qui détermine une position d'équilibre de celui-ci pour laquelle son champ magnétique propre est sensiblement dirigé selon ledit axe de symétrie. Les deux autres sont respectivement dépendants de chacune desdites bobines et ils sont symétriques par rapport à un axe passant par le centre du rotor et coupant le stator en deux parties sensiblement égales. Les figures des dessins annexés représentent, à titre d'exemples, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention, qui seront maintenant décrites plus en détails. Les figures 1 à 4 représentent schématiquement une première forme d'exécution d'un moteur dans les quatre configurations de son fonctionnement la figure 5 est un diagramme des impulsions de courant dans les bobines du moteur des figures 1 à 4 la figure 6 montre deux tableaux résumant le fonctionnement de ce moteur ; et la figure 7 représente schématiquement une deuxième forme d'exécution d'un moteur. Le moteur représenté aux figures 1 à 4 comprend un stator 1 formé d'une pièce en matériau magnétique doux présentant la configuration générale d'un trapèze isocèle dont la base est interrompue en 2a. Les deux extrémités de cette pièce constituent chacune un épanouissement polaire dont l'un est désigné par la et l'autre par lb, alors que la partie opposée à la fente 2a présente un épanouissement polaire lc. Ces trois épanouissements polaires sont disposés, dans cet exemple, sensiblement à 120 degrés les uns des autres, par rapport à un point 3 constituant le centre du rotor du moteur, désigné par 4, et définissent deux autres fentes, désignées par 2b et 2c. Le rotor 4 comprend un aimant permanent dont les pôles, diamétralement opposés, sont désignés par N et S.Les épanouissements polaires la, lb et lc occupent chacun un angle légèrement inférieur à 120 degrés dans l'exemple décrit. Cependant les angles occupés par chacun des épanouissements polaires pourraient être notablement différents selon les caractéristiques recherchées pour le moteur, ses dimensions ou les matériaux choisis. De toutes façons, les angles occupés par les deux épanouissements polaires la et lb sont sensiblement égaux. Les épanouissements polaires la et lb ont en outre une forme telle que l'entrefer qu'ils définissent avec le rotor 4 a une largeur variable, minimum au voisinage de la fente 2a et maximum au voisinage des fentes 2b et 2c. L'épanouissement polaire lc a, lui, une forme telle que l'entrefer qu'il définit avec le rotor 4 est également variable, avec un minimum au milieu ld de l'épanouissement polaire lc et des maximums à proximité des fentes 2b et 2c.Le stator 1 possède, comme on le voit à la figure 1, un axe de symétrie 7 passant par le milieu ld de l'épanouissement lc, par l'axe 3 du rotor 4 ainsi que par le milieu de la fente 2a. I1 faut noter que la forme particuliere de l'épanouissement polaire lc provoque, avec l'aimant du rotor 4, la formation d'un couple de positionnement. Ce dernier impose au rotor 4 deux positions d'équilibre, en l'absence de tout champ magnétique autre que celui de l'aimant lui-même, qui sont les deux positions ot les pôles N et S de l'aimant se trouvent sur l'axe de symétrie 7. Le stator 1 porte deux bobines 5 et 6 dont l'une est disposée entre les épanouissements polaires la et lc, et l'autre entre ce dernier, qui est ainsi commun aux deux bobines, et l'épanouissement polaire lb. Lorsque les bobines 5 et 6 sont parcourues par des courants I5 et 16, elles soumettent le rotor 4 à des champs magnétiques R5 et R6, respectivement, dont les directions sont obliques et symétriques par rapport à un diamètre de ce dernier. Les directions de ces champs font avantageusement entre elles un angle de 90 degrés. Le sens des courants 15 et I6 détermine le sens des champs R5 et R6. Quatre cas peuvent se présenter 1. Lorsque, comme représenté à la figure 1, les courants 15 et 16 ont un sens (qui sera appelé par la suite sens positif) tel que, à l'intérieur de la bobine 5, le champ est dirigé de la zone de l'épanouissement polaire lc vers la zone de l'épanouissement polaire la (flèche 11) et que, à l'intérieur de la bobine 6, le champ est dirigé de la zone de l'épanouissement polaire lb vers la zone de l'épanouissement polaire lc (flèche 12), ces courants créent à l'extérieur des bobines des champs R5 et R6, respectivement, dirigés de l'épanouissement la vers l'épanouissement lc et de l'épanouissement lc vers l'épanouissement lb. Le sens de ces champs sera également appelé par la suite positif.Le champ résultant R5 6 traverse la zone du rotor 4, en première approximation tout au moins, dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de symétrie 7, et se dirige de l'épa- nouissement polaire la, qui joue le rôle d'un pôle nord (N), vers l'épanouissement polaire lb qui joue le rôle d'un pôle sud (S). 2. Lorsque, comme représenté à la fiqure 2, le courant 15 a un sens inverse du sens défini ci-dessus, c'est-àdire lorsqu'il est néqatif, le courant I6 étant positif, les champs que ces courants créent dans les bobines sont diriqés respectivement suivant les flèches 15 et 16. Les champs R5 et R6 à l'extérieur des bobines sont donc respectivement diriqés de lc vers la et de lc vers lb. Le champ résultant R56 traverse alors là zone du rotor 4 dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de symétrie 7 et se dirige de l'epanouisse- ment polaire lc, qui joue le rôle d'un pôle nord (N), vers les épanouissements polaires la et lb qui jouent ensemble le rôle d'un pôle sud (S). 3. Lorsque, comme représenté à la figure 3, les sont I5 et I6 sont tous deux négatifs, créant donc des courants 15 et 16 champs R5 et R6 qui vont dans le sens des flèches 9 et 10, le champ résultant R5 6 se dirige, perpendiculairement à l'axe de symétrie 7, de l'épanouissement polaire lb, jouant donc le rôle d'un pôle nord (N), vers l'épanouissement polaire lc qui joue le rôle d'un pôle sud (S). 4. Lorsque, enfin, comme représenté à la figure 4, le courant 15 est positif et le courant 16 négatif, créant ainsi des champs R5 et R6 dirigés suivant les flèches 13 et 14, le champ résultant R5 6 est parallèle à l'axe 7 et se dirige des épanouissements la et lb, qui jouent ensemble le rôle d'un pôle nord (N), vers l'épanouissement lc qui joue le rôle d'un pôle sud (S). On voit donc qu'on peut créer, dans la zone du rotor, un champ magnétique qui peut prendre quatre directions différentes, selon le sens des courants circulant dans les bobines 5 et 6. En commutant judicieusement le sens de ces deux courants, on peut faire tourner ce champ dans un sens ou dans l'autre, ce qui entraîne le rotor dans le même sens, comme on va le voir ci-après. On admettra, pour commencer, que le rotor 4 est orienté comme indiqué à la figure 1, c'est-à-dire avec son pôle nord à proximité de l'épanouissement polaire lc. Pour faire tourner le rotor 4 dans le sens de la flèche 8, qui sera désigné ci-après par sens positif, il suffit d'envoyer simultanément dans les deux bobines 5 et 6 des courants 15 et 16 positifs à l'aide d'un circuit électronique de commande approprié. Le champ résultant R5 6 agit alors sur l'aimant du rotor de manière que son pôle nord se rapproche de l'épanouissement polaire lb. Le couple ainsi créé fait tourner le rotor dans le sens positif, à condition bien sûr qu'il soit supérieur à la somme du couple de positionnement et du couple résistant exercé par les éléments mécaniques que le moteur doit actionner. Lorsque le rotor 4 a tourné d'environ 90 degrés et se trouve donc approximativement dans la position qu'il occupe à la figure 2, le circuit de commande inverse le sens du courant Ig, qui devient négatif, sans changer le sens du courant 6 . Le champ R5 6 est donc alors dirigé comme indiqué sur la figure 2, ce qui crée à nouveau un couple, de même sens que celui ci-dessus. Le rotor continue donc sa rotation, toujours dans le sens positif, jusqu'à ce qu'il occupe la position représentée à la figure 3, c'est-à-dire la position où son pôle sud est à proximité de l'épanouissement polaire lc. Le rotor a ainsi effectué un premier pas de 180 degrés et les courants et 16 peuvent alors être interrompus. Pour faire effectuer au rotor 4 un second pas de 180 degrés, le circuit de commande envoie dans les bobines 5 et 6 des courants négatifs. Le champ résultant R5 6 a donc la direction représentée à la figure 3 et crée ainsi, avec l'aimant du rotor 4, un couple qui fait tourner ce rotor à nouveau dans le sens positif. Lorsque le rotor a tourné d'environ un demi-pas, le circuit de commande inverse le courant I5, qui devient positif, et le champ résultant R5 6 prend la direction représentée à la figure 4. Le rotor 4 continue donc à tourner dans le sens positif et termine son second pas de 180 degrés. Le circuit de commande interrompt alors les courants 15 et 16 La succession de ces courants est illustrée par la figure 5a. Pour faire tourner le rotor dans le sens inverse, dit nétagitif, à partir de la position qu'il a à la figure 1, le circuit de commande envoie dans les deux bobines 5 et 6 des courants négatifs. Le champ R5 6 prend donc le sens qu'il a à la figure 3 et le rotor fait un premier demi-pas de 90 degrés dans le sens négatif. A ce moment, le rotor se trouve dans la position illustrée à la figure 4 et le circuit de commande inverse le sens du courant I6, qui devient positif. Le champ R5 6 est alors dirigé comme représenté à la figure 2. Le rotor continue donc sa rotation en sens négatif jusqu'à ce qu'il ait fini son deuxième demi-pas et qu'il se trouve dans la position représentée à la figure 3. Le circuit de commande interrompt alors les deux courants 15 et 16. Pour faire faire au rotor un nouveau pas dans le sens négatif, le circuit de commande envoie dans les bobines 5 et 6 des courants Ig et 16 positifs. Le champ R5 6 prend donc la direction qu'il a à la figure 1 et le rotor tourne d'un demi-pas dans le sens négatif. Le circuit de commande inverse alors le sens du courant I6, qui devient négatif, et le champ R5 6 prend la direction qu'il a à la figure 4. Le rotor termine donc son pas et se retrouve à sa position de départ. Le circuit de commande peut alors interrompre les courants 15 et 16. La figure 5b illustre la succession de ces courants. Le circuit de commande associé au moteur ne sera pas décrit ici car sa réalisation est à la portée de l'homme du métier se trouvant en possession des diagrammes des figures 5a et 5b. Le tableau I de la figure 6 résume l'ensemble du fonctionnement du moteur. Dans ce tableau, les courants positifs sont désignés par le signe + et les courants négatifs par le signe -. La colonne intitulée R5 6 donne, pour chaque combinaison des courants Ig et I6, le sens du champ qu'ils créent dans le rotor 4, tel qu'il est indiqué aux figures 1 à 4. Les deux colonnes "Rotor départ" et "Rotor arrivée don nent également, par des flèches, les positions de départ et d'arrivée du rotor 4. Ces flèches sont dirigées du pôle sud vers le pôle nord de l'aimant du rotor 4. Le présent moteur a le gros avantage de toujours tourner dans le sens désiré, même si le rotor 4 a manqué un pas ou en a fait un de trop. Le tableau II de-la figure 6 illustre un cas où, pour une raison quelconque, le rotor 4 se trouve dans la position inverse de celle où il devrait se trouver à l'instant correspondant à la première ligne du tableau. Lorsque le circuit de commande envoie les deux courants Ig et 16 dans le sens positif, le rotor 4 fait un demipas en sens négatif. Lorsque le sens du courant 15 est inversé, il fait un demi-pas en sens positif et se retrouve dans sa position de départ qui est justement celle où il doit se trouver à cet instant du cycle. A partir de là, il tourne dans le sens désiré.On voit facilement que le rotor reprend, dans tous les cas, le sens de rotation désiré d'une manière analogue, quel que soit ce sens de rotation et quel que soit l'instant du cycle où se produit l'incident qui amène ce rotor dans une fausse position. I1 est évident que, avant d'être inversé à la fin d'un premier demi-pas, chacun des courants I5 et 16 pourrait être interrompu pendant un certain temps, l'inertie du rotor 4 lui permettant alors de terminer ce demi-pas et même de commencer le second demi-pas. De même, les courants Ig et 16 pourraient être interrompus avant que le rotor 4 ait effectivement terminé son pas. Le couple de positionnement et l'inertie du rotor permettraient alors au rotor 4 de terminer son pas. De même, les bobines 5 et 6 pourraient être court-circuitées par le circuit de commande entre les pas pour augmenter le couple de positionnement du rotor et pour amortir ses oscillations autour de sa position d'équilibre à la fin des pas. L'application de ces mesures, qui permet de réaliser une économie d'énergie, dépend essentiellement de la construction du moteur et de la charge qu'il doit entraîner et doit être décidée au moment du développement de l'ensemble dont le moteur fait partie. I1 faut noter encore que, du fait que les deux bobines 5 et 6 sont toujours alimentées simultanément et contribuent ensemble à la formation du champ magnétique créant le couple appliqué au rotor, leur volume peut être notablement diminué par rapport à celui des bobines alimentées alternativement ; en d'autres termes, pour un volume total donné, le couple appliqué au rotor peut être notablement augmenté. La variante de la figure 7 se distingue de la pre mièvre forme d'exécution par le fait que les deux enroulements, désignés par 17 et 18, sont constitués par deux bobines-cadres, sans armature, à l'intérieur desquelles passe le rotor 19 tournant autour d'un axe 20 situé dans le plan bissecteur 21 des plans médians 17a et 18a des deux enroulements 17 et 18, respectivement. Un élément de positionnement 22, en matériau magnétique doux, oriente le rotor de telle sorte qu'en position d'équilibre ses pOles nord et sud se trouvent dans le plan 21. Quant au principe de fonctionnement de cette variante, il est absolument le même que celui de la première forme d'exécution. REVENDICATIONS 1. Moteur électromagnétique à deux sens de rotation, comportant un rotor et un stator à deux bobines, carac térisé par le fait que ledit stator est agencé de manière à soumettre ledit rotor à deux champs magnétiques, respectivement créés par lesdites bobines, et dont les directions sont obliques et sensiblement symétriques par rapport à un diamètre du rotor. 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les directions des deux champs magnétiques font entre elles un angle de sensiblement 90 degrés. 3. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit stator présente trois épanouissements polaires entourant ledit rotor, dont l'un est commun aux deux bobines et dont les deux autres sont respectivement dépendants de chacune desdites bobines. 4. Moteur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits deux autres épanouissements polaires sont symétriques par rapport à un axe passant par le centre du rotor et coupant le stator en deux parties sensiblement égales. 5. Moteur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit épanouissement polaire commun possède une partie centrale proche du rotor qui détermine une position d'équilibre de celui-ci pour laquelle son champ magnétique propre est sensiblement dirigé selon ledit axe de symétrie. 6. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit stator est formé de deux bobines-cadres à l'intérieur desquelles le-rotor est disposé, l'axe de ce dernier étant situé dans le plan bissecteur des plans médians desdites bobines-cadres.