Brevet FR2472866A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne un moteur pas-à-pas électrique effectuant un nombre relativement élevé de pas par tour. Elle a principalement pour but de fournir un moteur de ce type qui présente un rapport couple/poids particulièrement avantageux, une grande accélération angulaire et une très bonne précision de fonctionnement en marche pas-à-pas. L'invention vise en outre à fournir un moteur à performances drivées qui soit d'une construction simple et économique. Le moteur pas-à-pas selon l'invention comporte un - organe rotatif en forme de disque aimanté axialement de manière à présenter de chaque côté 2N pôles magnétiques de polarité alternante disposés régulièrement le long d'une zone annulaire. Cet organe rotatif est monté sur un arbre axial du moteur. Le stator du moteur comporte plusieurs circuits magnétiques élémentaires et au moins deux bobines électriques couplées à ces circuits magnétiques. Chacun des circuits magnétiques élé- mentaires comporte un entrefer et tous les entrefers sont for- més à la même distance radiale de l'axe du moteur, chaque entre- fer étant en outre disposé symétriquement par rapport à un plan radial commun contenant l'organe rotatif. Les circuits magnéti- ques élémentaires forment au moins deux groupes dans chacun des- quels les entrefers présentent un espacement angulaire de k.27L/N. Chaque circuit élémentaire est couplé avec au moins une des dites bobines électriques et chaque bobine est couplée avec un ou plusieurs circuits élémentaires de l'un des dits groupes. La conception du moteur selon l'invention permet de réaliser des circuits magnétiques très courts dans lesquels les pertes d'énergie magnétique sont réduites au minimum. De plus, cet arrangement fournit une grande variation du point de fonctionnement de l'aimant permanent dans chaque circuit magné- tique élémentaire, ce qui résulte en un couple utile élevé pour un poids relativement faible du moteur. Un grand nombre de pas peut être réalisé et la constante de temps électrique se trouve réduite. Une induction mutuelle extrêmement faiblé entre les bobines de différentes phases d'un moteur pas-à-pas polyphasé, contribue aux performances élevées d'un tel moteur. L'invention sera expliquée avec plus de détails en référence à une forme d'exécution préférentielle, décrite à titre d'exemple et illustrée dans les dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un moteur pas-à-pas diphasé selon l'invention, la coupe suivant la ligne I-I de la figure 2, la figure 2 est une coupe du moteur selon la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue d'un circuit magnétique élé- mentaire muni d'une bobine individuelle, montrant schématique- ment la partie de l'organe rotatif coopérant avec ce circuit. Le moteur pas-à-pas représenté aux figures 1 et 2 comporte un organe rotatif 1 en forme de disque annulaire monté sur un arbre 2 au moyen de deux parties de support 3, 4. Les parties 3, 4 sont chassées sur l'arbre 2 et supportent à leur partie périphérique un aimant permanent mince constituant l'or- gane 1. Comme le montre la figure 1, la présente forme d'e- xécution du moteur est pratiquement symétrique par rapport à un plan radial contenant l'organe rotatif 1. Deux supports de stator 5, 6 en matériau non magnétique, par exemple en matière plastique, sont disposés en regard l'un de l'autre et assemblés au moyen de flasques annulaires 7, 8 et de vis 9, 9', 9". L'ar- bre 2 du moteur est monté de façon rotative par rapport aux supports 5, 6 au moyen de paliers 10, 11. Plusieurs circuits magnétiques élementaires 12 ainsi que des bobines électriques 13', 13", 14', 14" sont supportés par les supports 5, 6. Chaque circuit magnétique élémentaire 12 comporte deux parties de stator 12', 12" en forme de U, réalisées en ma- tériau de grande perméabilité magnétique, et disposées radiale- ment, l'une en face de l'autre dans le sens axial. Plus particu- lièrement,une première branche extérieure du U de chaque par- tie de stator 12' est en contact,par son extrémité,avec l'ex- trémité correspondante d'une première branche du U de la partie de stator opposée 12", alors que les deuxièmes branches des U, intérieures, présentent des extrémités espacées l'une de l'au- tre de manière à former un entrefer 15 entre celles-ci. Les parties de stator peuvent être réalisées en une pièce de fer doux ou, pour améliorer la qualité du circuit, sous forme la- mellaire. Comme le montre la figure 2, les circuits magnéti- ques élémentaires sont divisés en deux groupes, 12i et'12 à l'intérieur desquels dix parties de stator sont espacées an- gulairement d'un même angle égal à k.2tr/N, o k est un nombre. entier et N le nombre de paires de-pôles du rotor,tel que dé- crit ci-après. Dans l'exemple représenté, k = 1 et N = 25. Les groupes de circuits magnétiques élémentaires, d'une façon générale au nombre de p, sont espacés angulairement l'un par rapport à l'autre d'un angle égal à r.2ir/N + /pN, o r est un nombre entier, ceci de façon à assurer un fonction- nement correct dans le-cas d'un moteur polyphasé. Dans l'exem- ple représenté, p = 2 et r = 3 ou 4, selon le côté. Comme le montrent les figures 1 et 2, deux bobines électriques sont couplées avec chaque circuit magnétique élé- mentaire et les dits circuits de chaque groupe 12I, 12II sont couplés ensemble avec deux bobines correspondantes 14', 14" et 13', 13", respectivement. Les bobines sont disposées autour des branches de U formant les entrefers des circuits élémentai- res et leur forme courbée montrée à la figure 2 assure que les spires sont placées le plus près possible de ces branches de U. De plus, la section des bobines remplit pratiquement entière- ment l'espace entre les deux branches de U de chaque partie de stator. Seules deux bagues 16, 17 sont placées également dans cet espace pour maintenir les bobines en place et pour guider les fils de connexion de celles-ci. Ces fils de connexion pas- sent ensuite à travers un trou 18 dans le flasque 7. La disposition décrite ci-dessus fournit un excel- lent couplage entre les bobines et les circuits élémentaires correspondants,une longueur minimale des lignes de flux magné- tique à l'intérieur des circuits et un couplage extrêmement faible entre les bobines associées respectivement aux deux phases, à savoir les bobines 13', 13" d'une part,et 14', 14" d'autre part. Selon une variante d'exécution, chaque circuit ma- gnétique élémentaire peut être associé à une bobine séparée, comme le montre la figure 3 pour un de ces circuits. La vue latérale de ce circuit est analogue à celle des circuits re- présentés à la figure 1. Dans un tel circuit élémentaire 312, réalisé par exemple sous forme lamellaire, les branches de U de chaque partie de stator formant l'entrefer de la manière décrite ci-dessussont entourées chacune d'une bobine respecti- ve 313', 313", ce qui permet d'assurer un couplage optimal en- tre ces bobines et le circuit magnétique. La figure 3 montre également, de façon schématique, une zone périphérique annulaire de l'organe rotatif 301 similai- re à celui décrit en rapport avec la figure 1. L'organe rotatif est aimanté axialement de façon à présenter 2N pôles magnéti- ques de polarité alternante de chaque côté du disque annulaire, ces pôles étant indiqués par "N" et "S" à la figure 3. Selon une autre variante d'exécution du moteur selon l'invention, deux ou plusieurs étages du moteur peuvent être combinés pour former un moteur diphasé ou polyphasé, chaque étage étant similaire au moteur décrit aux figures 1 et 2. L'ar- bre d'un tel moteur combiné est commun à tous les étages et les organes rotatifs sont fixés par leur support sur cet arbre com- mun. De préférence, chaque étage contient un seul groupe de circuits élémentaires et correspond ainsi à une phase. Pour as- surer la relation de phase appropriée entre les différents éga- ges, les supports de stator de chaque étage sont agencés pour pouvoir être calés angulairement par rapport aux autres éta- ges. Pour déterminer la position angulaire appropriée, on peut par exemple entraîner l'arbre du moteur et mesurer les tensions induites dans les différents étages. Il ressort de la description des exemples donnés-ci-dessus, que le présent agencement des circuits magnétiques élémentai- res et de l'organe rotatif en forme de disque mince permet d'obtenir une grande variation du champ magnétique dans les dits circuits élémentaires et par conséquent un couple élevé par unité de masse du moteur. Cet agencement permet également d'atteindre une accélération angulaire élevée, celle-ci étant limitée en pratique par l'inductance des bobines. Un grand nombre de pas peut être obtenu en réalisant un nombre approprié de pôles sur l'organe rotatif, ce dernier pouvant être d'un diamètre relativement grand par rapport aux dimensions du moteur. Dans la forme d'exécution selon les fi-. gures 1 à 2 par exemple, 100 pas peuvent être obtenus par tour lorsque les bobines 13', 13" et 14', 14" sont commandées par des courants produisant une séquence d'entrée à quatre états, ou 200 pas peuvent être obtenus en commandant ces bobines par des courants produisant une séquence d'entrée à huit états. Il est à noter d'autre part que l'un ou plusieurs des circuits magnétiques élémentaires munis, dans ce casd'une bobi- ne séparée, peuvent être utilisés pour une fonction de commande, au lieu de participer à l'entraînement du rotor. On peut ainsi, mesurer et analyser la tension induite dans la bobine d'un tel circuit élémentaire, de façon à détecter, par exemple, la posi- tion, la vitesse de rotation ou le sens de rotation du rotor. R E V E N D I C A T I ON S 1. Moteur pas-à-pas électrique comportant un organe rotatif (1) en forme de disque en matériau magnétique aimanté axia- lement de manière à présenter de chaque côté du disque 2N pôles magnétiques de polarité alternante, disposés régulièrement le long d'une zone annulaire, le dit organe rotatif étant monté sur un arbre axial (2) du moteur, le moteur comportant en outre plusieurs circuits magnétiques élémentaires(12) et au moins deux bobines électriques couplées aux dits circuits élémentaires, chacun des dits circuits magnétiques élémentaires présentant un entrefer (15), tous les entrefers étant formes à la même distance ra- diale de l'axe du moteur, chaque entrefer étant en outre sen- siblement symétrique par rapport à un plan radial commun conte- nant le dit organe rotatif, l'ensemble des circuits élémentaires formant au moins deux groupes (121,12II) à l'intérieur desquels les entrefers sont disposés avec un espacement angulaire de k.2 r/N, chaque circuit élémentaire étant couplé avec au moins une des dites bobines électriques et chaque bobine étant couplée avec un ou plusieurs circuits élémentaires de l'un des dits groupes. 2. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque circuit magnétique élémentaire(12)compor- te au moins une partie de stator plate(12',12''),en forme de U, disposée radialement,ayant une perméabilité magnétique élevée,chacune des dites bobines électriques étant disposée autour de l'une des branches de U de l'une des dites parties de stator. 3. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque circuit magnétique élémentaire (312) comporte au moins une partie de stator plate, en forme de U, de perméabi- lité magnétique élevée, au moins l'une des dites bobines élec- triques (313',313'') étant disposée autour de l'une des branches de U de plusieurs parties de stator. 4. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte p groupes de circuits magnétiques élémentaires, les circuits extérieurs de chaque groupe étant es- pacés angulairement d'un angle de r.27r/N t r/pN, r étant un nombre entier. 5. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte au moins deux des ds organes rota- tifs montés sur un arbre commun, un groupe des dits circuits magnétiques élémentaires étant associé à chacun des dits orga- nes rotatifs de manière à former un étage du moteur. 6. Moteur pas-à-pas selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le groupe de circuits magnétiques élémentaires d'un étage du moteur peut être calé angulairement par rapport au groupe de circuits élémentaires d'un autre étage du moteur. 7. Moteur selon la revendication l,diphasé,caractérisé en ce qu'il comporte quatre bobines électriques(13',13'',14',14'') couplées aux dits circuits magnétiques êlémentaires(12),deux support de stator(5,6)pour supporter les dites parties de stator et les ditb bobines, chacune des paires de parties de stator comportant une première (12?) et une seconde partiesde stator(12'.')plates,en forme de U,de perméabilité magnétique élevée, les dites premières et secondes parties de stator de chaque paire étant disposées dans un même plan axial du moteur, l'extrémité d'une première bran- che de U de la dite première partie de stator de chaque paire étant disposée en contact avec l'extrémité de la première bran- che de U de la dite deuxième partie de stator de la même paire, et les extrémités des deuxièmes branches de U des dites premiè- res et secondes parties de stator étant disposées en regard, à une certaine distance axiale l'une de l'autre,de manière à former un des dits entrefers(15), les dites premières parties de stator étant supportées dans le dit premier support de stator et les dites deuxièmes parties de stator étant supportées dans le dit deuxième support de stator, deux bobines électriques(14',14' étant disposées respectivement autour de toutes les deuxièmes branches de U, les dites premières et secondes parties de sta- tor du dit premier groupe (12I) de paires de parties de stator, et les deux autres bobines électriques(13',13'')étant disposées res- pectiverient autour de toutes les secondes branches de U des dites premieres et secondes parties de stator du dit deuxire croupe (12ii) de parties de stator.