Brevet FR2481535A1 — publié le 19811030

La présente invention concerne un moteur pas à pas compre- nant un rotor multipolaire, un stator associé au rotor et des moyens pour engendrer, pour chaque phase, une force magnétomo- trice caractérisé par le fait qu'il comporte une seule bobine, pour engendrer la force magnétomotrice, et des moyens agencés pour diviser cette force magnétomotrice qui est appliquée aux pôles du rotor. Les moteurs connus de ce type comprennent généralement, coaxialement associé au rotor, un boitier statorique annulaire contenant le bobinage d'excitation et comprenant une pluralité de dents ou languettes polaires éventuellement imbriquées et destinées à coopérer magnétiquement avec le rotor. Le nombre de pas que peut effectuer le rotor d'un tel moteur au cours d'une révolution complète étant fonction du nombre de dents polaires du stator, il existe de nombreuses applications notamment dans le domaine de la servo-commande et des automatismes o pour obtenir la plus grande précision pos- sible dans le positionnement de certains organes asservis (systèmes de mesure, imprimantes, etc.) on doit disposer de la plus grande résolution angulaire possible, c'est-à-dire de moteurs pouvant effectuer un grand nombre de pas par tour de rotor. Pour obtenir cette résolution élevée, la pratique tradi- tionnelle consiste à augmenter le plus possible le nombre de dents polaires du stator et corrélativement bien entendu le nombre de dipôles rotoriques. Toutefois, pour un moteur donné dont la structure géomé- trique polaire a été adaptée de manière optimale avec les carac téristiques de la source magnétomotrice, on constate que l'opé- ration consistant à augmenter le nombre de pôles statroriques ne peut se faire qu'au détriment de la puissance motrice dispo- nible sur le rotor, c'est-à-dire avec une notable diminution du couple moteur quand bien même on cherche, dans les limites tolérables d'échauffement et de démagnétisation du rotor à compenser cette perte de puissance motrice par une augmentation de la puissance électrique d'excitation. - En effet, l'augmentation du nombre de pas et par conséquex la diminution de la valeur angulaire de chacun de ces pas entraîne nécessairement une diminution de la largeur de chaque dent polaire statorique, ainsi qu'une réduction de l'espace 2 2481535 séparant deux dents consécutives. Ainsi, les dents polaires étant d'épaisseur et de hauteur supposées inchangées, leurs tranches latérales mutuellement en regard demeurant de ce fait identiques, la réluctance du circuit statorique diminue en proportion de l'espace interdentaire au point que l'augmenta- tion du flux de fuite qui en résulte entraîne la saturation magnétique des dents dont la'section a été rétrécie. Ce phénomène de saturation des dents polaires statoriques, constitue donc une limite à l'augmentation de la puissance motrice d'un moteur donné dont on veut augmenter le nombre de pas. Lorsque malgré cette limite, on désire disposer d'une puissance motrice supérieure à celle qu'elle permet d'attein- dre pour un nombre de pas déterminé, on est alors amené de manière connue, à réduire en premier lieu la hauteur des dents polaires statoriques du moteur donné afin de reculer l'appa- rition du phénomène nuisible de saturation, puis, en second lieu, cette réduction de hauteur polaire permettant la diminu- tion de la hauteur axiale du moteur, à compenser la perte de puissance motrice disponible en accouplant sur le même axe au- tant de moteurs identiques qu'il est nécessaire pour obtenir le couple désiré. Cette méthode connue présente évidemment l'inconvénient d'un coiît élevé de réalisation puisqu'il faut multiplier le nombre des éléments technologiques constitutifs du groupe moteur pas à pas procurant la puissance motrice désirée par autant de fois que l'on désire par exemple doubler le nombre de pas. La présente invention a précisément pour but d'éliminer cet inconvénient en procurant un moyen technologiquement simple et économique pour maintenir à sa valeur originelle la puis- sance motrice disponible d'un moteur pas à pas à rotor aimanté multipolaire dont on désire augmenter la résolution par multiplication du nombre de pas polaires. Pour obtenir ce résultat, l'invention propose une struc- ture de moteur pas à pas comprenant de façon connue un rotor aimanté multipolaire, associé à un circuit statorique de préférence en forme de boitier annulaire contenant un bobinage d'excitation à enroulements multiples et comprenant une pluralité de dents polaires destin&es à coopérer 3 2481535 magnétiquement avec le rotor,cette structure étant, selon l'invention, caractérisée en ce que ledit bobinage d'excita- tion est un élément technologique unique dont la force magné- tomotrice canalisée par les multiples dents polaires dudit circuit statorique est subdivisée au niveau de l'espace sépa- rant deux dents de polarité opposée par un élément ferromagné- tique intermédiaire de canalisation du flux de fuite normale- ment destiné à agir sur les dipôles rotoriques. Les caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui suit au regard des dessins qui l'accompagnent, qui illustrent un exemple de réalisation de la technique connue perfectionnée selon l'in- vention. La figure l représente la coupe diamétrale d'un moteur pas à pas qui selon la technique connue comporte un stator double. Les figures 2 et 3 montrent comment sur un schéma déve- loppé de système multipolaire statorique évolue la réluctance et la section des dents polaires d'un moteur connu lorsqu'on réduit de moitié la valeur angulaire d'un pas. La figure 4 représente en perspective partielle la structure du système multipolaire statorique associé au rotor d'un moteur pas à pas, perfectionné selon l'invention. Le moteur pas à pas de la figure l dont la structure est bien connue comporte un rotor cylindrique 1 dont l'axe 2 au- quel il est relié par une jante 3 pivote dans le palier 4 solidaire d'un flasque 5. Le rotor qui est par exemple en ferrite dure est aimanté de façon à présenter selon les génératrices périphériques une succession de dipôles magnétiques alternés. Le rotor l est entouré d'un premier boitier statorique 6 de forme généralement annulaire qui est solidaire du flasque 5 et qui contient une bobine d'excitation 7 à enroulements multiples pour permettre l'alimentation à partir d'une source électrique généralement polyphasée. Le circuit magnétique, constitué par le boitier statorique 6 est interrompu sur sa paroi cylindrique intérieure de manière à présenter un système multipolaire 60 constitué d'une pluralité de dents dont la disposition alternée et générale- ment imbriquée détermine selon les génératrices des espaces 4 2 4 8 52481535 d'air qui sont le siège d'un flux de fuite engendré par la force magnéto- motrice de la bobine et périphériquement orienté par le sens du courant d'excitation, de manière à coopérer avec le flux des dipôles aimantés du rotor 1. Cette disposition connue qui est illustrée sur les figures 2 et 3 ne permet pas, comme on le verra plus loin, d'augmenter le nombre de pas d'un moteur donné sans perte de couple. C'est pourquoi lorsqu'on désire par exemple doubler le noErbre de pas d'un moteur de taille donnée, on est amené, ainsi que le représente la figure 1, à en doubler également la structure statorique élémentaire (boitier statorique 6', bobine d'exci- tation 7'), ainsi, naturellement, que la longueur du rotor 1 dans la néme proportion. Pour expliquer cette nécessité, on doit considérer les figures 2 et 3 qui montre comment évolue dans les systèmes multipolaires 60 et 60' la réluctance et la section des dents polaires statoriques d'un moteur donné lorsqu'on réduit, par exemple, le pas de moitié. La réluctance de fuite Rf du circuit statorique considéré (fig. 2) est proportionnelle aux surfaces cumulées des flancs de dents polaires en regard et inversement proportionnelle à la distance elséparant ces flancs. Pour une épaisseur identique des pièces polaires statoriques, les surfaces en regard des flancs de dents polaires sont pratiquement pro- portionnelles aux longueurs L de ces flancs. D'autre part, (figure 3) lorsqu'on double le nombre de pas en réduisant de moitié la largeur des dents polaires, la section S utile de fer à la base de ces dents est également, de ce fait, réduite de moitié, ainsi que la distance intermédiaire e2. Il s'ensuit que la longueur L des flancs de dents en regard demeurant égale, la réluctance statorique diminue sensiblement de moitié. Ainsi, la force magnétamotrice étant la même que précédemment, l'augmen- tation du flux induit 4 provoque une saturation au niveau de la base des dents polaires de section S rétrécie et par la limitation du flux de fuite interdentaire 4 qui en résulte, une limitation du couple magné- tique exercé sur le rotor. Il sera donc nécessaire, afin d'éliminer au mieux le phénomène de saturation nuisible et d'améliorer le rendement énergétique du moteur, de réduire la hauteur des Cents ainsi que la hau- teur du rotor pour une force magnétomotrice donnée fournie par le même volume de cuivre du bobinage. Cet abaissement de la hauteur du moteur se traduit inévi- tablement par une réduction notable du couple moteur (50 % environ pour un doublement du nombre de pas) qui conduit à com- penser cette perte par l'adjonction sur le même axe d'un moteur supplémentaire, chaque fois que l'on désire doubler le nombre de pas. C'est précisément pour éviter cette multiplication coû- teuse et compliquée des éléments constitutifs d'un groupement de plusieurs moteurs à grand nombre de pas que l'invention piêvoit ainsi que le représente la figure 4, l'interposition entre les deux couronnes extrêmes 601, 602 de dents polaires statoriques d'un moteur pas à pas à bobine unique non figurée, d'une couronne intermédiaire 603 en matériau ferromagnétique constituée d'une double série de dents polaires opposées par la base et en nombre égal à celui des pôles du rotor et du stator. Cette couronne intermédiaire, dont la fonction consiste essentiellement à subdiviser le potentiel magnétique et en quelque sorte à relayer entre les dents polaires extrêmes du stator le flux engendré par la source de force magnétomotrice, permet en optimalisant, comme on l'a expliqué plus haut, la longueur et la largeur relatives des dents polaires, de sup- primer le phénomène de saturation nuisible au maintien du couple moteur à sa valeur maximale. Le maintien en position entre les couronnes extrêmes de la couronne intermédiaire 603 est mécaniquement assuré sur la paroi intérieure de bobine unique par tous moyens appropriés de technologie habituelle comme par exemple l'emmanchement à force, le collage ou l'insertion au moulage de la matière plas- tique constituant la carcasse de la bobine. Théoriquement, il n'y a pas de limite à la multiplication en série coaxiale des couronnes statoriques intermédiaires 603 afin d'augmenter le couple en même temps qu'augmente la longueur du moteur et de ses éléments constituants (bobine unique, rotor multipolaire, boitier statorique). Enfin, il faut considérer que chaque couronne intermé- diaire 603 à double série de dents.polaires (dont la forme et le calage angulaire relatif n'est déterminé que par l'incli- naison ou le calage angulaire des génératrices dipolaires 6 2 481535 rotoriques) constitue un stator auxiliaire excité en série par la force magnétcmotrice de la bobine unique. Cette disposition, objet de l'invention, permet essentiellement d'éviter la saturation des dents polaires à section rétrécie par le flux de fuite circulant dans les espaces interdentaires. Dans ces conditions, il est possible sinplement et aécconiquement d'augmenter la résolution d'un moteur pas à pas de type donné à double sens de rotation, en augmentant le nombre de ses dents polaires statori- ques, sans pour autant en affecter les caractéristiques électromécaniques. 7 2 481535 REVENDICATIONS 1 - Moteur pas à pas comprenant un rotor multipolaire, un stator associé au rotor et des moyens pour engendrer, pour chaque phase, une force magnétarotrice, caractérisé par le fait qu'il corporte une seule bobine, pour engendrer la force magnétomotrice et des moyens agencés pour diviser cette force magnétomotrice qui est appliquée aux pôles du rotor. 2 Moteur pas à pas, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour diviser la force magnétonotrice sont constitués d'une pièce polaire intermédiaire en matériau ferromagnétique intercalée à égale distance entre les deux pièces polaires statoriques du moteur. 3 - Moteur pas à pas, selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la pièce polaire intermédiaire présente de part et d'autre de son plan médian une série de dents polaires de forme et de dimensions analogues à celles des dents polaires en nambre égal des pièces statoriques du moteur. 4 - Moteur pas à pas, selon les revendications 2 et 3, caractérisé ar le fait que chaque série des dents polaires de la pièce polaire intermédiaire présente un calage angulaire relatif coïncidant avec le calage angulaire des dipôles du rotor aimanté, ainsi que des dents polaires extrêmes et opposées du stator. 5 - Moteur pas à pas, selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que les moyens pour diviser la force magnétomotrice sont mécaniquement fixés sur la paroi intérieure de la bobine unique.