Brevet FR2481019A1 — publié le 19811023

La présente invention se rapporte d'une manière générale à un moteur pas à pas, et a plus particulièrement pour objet un moteur pas à pas utilisable en horlogerie pour entrainer notamment les aiguilles d'une montre. Il est connu d'utiliser des moteurs pas à pas dans l'industrie horlogère pour entraîner l'ensemble des équipements mobiles d'une montre. Ces moteurs sont généralement constitués d'un rotor aimanté de façon permanente et présentant au moins deux pôles, d'un stator en matériau à haute perméabilité magnétique, dont les deux extrémités libres recourbées l'une vers l'autre forment respectivement deux pièces polaires, délimitant entre elles un entrefer dans lequel tourne le rotor, et d'une bobine associée au stator. Toutefois, le problème majeur que l'on rencontre est la.précision du positionnement relatif des deux pièces polaires du stator, qui est très difficile à obtenir. Cela entraine des tolérances de fabrication très serrées, ou des réglages excessivement fins et difficiles à réaliser. La présente invention permet d'améliorer considérablement ces tolérances en utilisant une forme de stator spéciale en fonction de l'aimant utilisé pour le rotor, de la bobine et des caractéristiques du moteur que l'on veut réaliser. A cet effet l'invention propose un moteur pas à pas dont l'extrémité libre de chaque pièce polaire possède un évidement de forme sensiblement cylindrique tel que l'axe de chaque cylindre soit parallèle à l'axe de rotation du rotor, caractérisé en ce que les deux axes des deux cylindres sont décalés l'un par rapport à l'autre d'une valeur comprise entre 80 y et 200 y, dans une direction perpendiculaire au plan (P) défini par l'axe de rotation du rotor et la direction principale du flux généré par la bobine et circulant dans l'entrefer. Selon une autre caractéristique de l'invention, les axes des deux évidements, habituellement dans un plan perpendiculaire au plan (P) précité, peuvent être écartés l'un de l'autre d'une valeur ou recul compris entre 80 et 400 y, dans une direction parallèle au plan (P), et de préférence, d'une valeur comprise entre 150 P et 300,p. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'axe de rotation du rotor peut être positionné en tout point d'une aire perpendiculaire audit axe, délimitée par un cercle de rayon d'une valeur de 200 y et dont le centre est situé au milieu du segment joignant les deux axes des deux évidements dans un plan perpendiculaire à ces deux axes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le rapport entre l'entrefer moyen et le rayon de l'aimant du rotor a une valeur comprise entre 0,7 et 1. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible de pouvoir déplacer dans un sens ou dans l'autre une pièce polaire par rapport à l'autre dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor1entrainant l'inversion du sens de rotation. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une pièce ferromagnétique du moteur ou de la montre peut être logée dans l'entrefer, en particulier, un axe de rouage en matériau ferro-magnétique, par exemple en acier, peut passer dans au moins une encoche profonde, d'au moins un évidement d'une pièce polaire sans modifier le fonctionnement du moteur, cet axe de roaLe ne partici atpasaifonctionnement électromagnétique du moteur. Un tel moteur appliqué à une montre électronique présente de nombreux avantages tels que notamment - un couple moteur sensiblement constant lors d'une variation relativement importante du décalage entre les deux axes des évidements des pièces polaires, ce qui n'étatpas obtenu dans l'art antérieur - de même pour le recul, on obtient de très grandes 2481019. tolérances de fabrication; - tous les paramètres intervenant dans la région de l'entrefer sont moins critiques avec un grand entrefer relatif, en particulier, le diamètre de l'aimant, l'épaisseur de l'aimant, le BH max de l'aimant, le mal rond ou mal plat de l'aimant sur son axe, la position des paliers du rotor par rapport au stator, la précision sur la position des pièces polaires, la finition des surfaces polaires, l'extrémité des pièces polaires mains influentes quant à leur précision et leur symétrie, la self de la bobine du stator moins influencée dans ses variations en fabrication, car la reluctance du circuit magnétique vu de la bobine est moins perturbée par les écarts dimensionnels des formes intérieures des stators, l'entrefer étant relative- ment grand; - on peut loger dans l'entrefer des pièces ferro-.. magnétiques telles que par exemple l'axe d'un rouage de manière à diminuer au maximum l'entraxe du premier engrenage; - les discontinuités de couple moteur sont repoussées loin du point de fonctionnement du moteur (tension environ 1,5 volts et largeur des impulsions 7,8 milli- secondes) en utilisant un grand décalage et un grand recul; - pour un recul très supérieur à 250 p, le rotor peut avoir deux modes de fonctionnement. Avec des impulsions d'environ 7,8 millisecondes, le rotor tourne dans un sens normal et n'a qu'un sens préférentiel, avec des impulsions plus brèves, il peut tourner dans les deux sens en vue d'une mise à l'heure électronique en marche arrière; - on peut encore arriver à ce résultat en déplaçant les pièces polaires du stator l'une par rapport à l'autre à l'aide d'un poussoir situé sur le bottier de la montre ou du réveil. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 2481O1"- apparaUtront mieux dans la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dont l'échelle des valeurs de décalage et de recul sont volontairement agrandies pour la compréhension, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan et de face d'un moteur pas à pas suivant l'invention; - la figure 2 est une vue partielle en plan et agrandie du moteur représenté sur la figure 1 définissant les décalages des axes des évidements des pièces polaires; - la figure 3 est une vue partielle en plan et agrandie du moteur représenté sur la figure 1, et montrant le décalage des axes des évidements des pièces polaires en position normale; - la figure 4 est une vue partielle en plan et agrandie du moteur représenté sur la figure 1 et montrant un décalage différent de celui représenté sur la figure 3; - les figures 5 et 6 sont des coupes partielles suivant un plan passant par l'axe de rotation du rotor, montrant des possibilités de montage de pièces dans l'entrefer suivant l'invention; - la figure 7 est une vue partielle en plan et agrandie du moteur représenté sur la figure 1 montrant le passage d'un axe dans l'entrefer; - la figure 8 est une courbe représentative du couple moteur Cm en fonction du décalage D des axes des évidements des pièces polaires; - la figure 9 est une courbe représentative du couple moteur Cm en fonction du recul R des axes des évidements des pièces polaires; et - la figure 10 est une courbe représentative du couple moteur Cm en fonction de la tension U. Suivant un exemple de réalisation représenté sur la figure 1, un moteur 1 conforme à l'invention comprend essentiellement un rotor 2 aimanté de façon permanente, en matériau à perméabilité voisine de celle de l'air 248101') tel que le samariium-cobalt, la ferrite, le platine- cobalt ou analogue, et présentant au moins deux pales, un stator 3 en matériau à haute perméabilité magnétique dont les deux extrémités libres recourbées l'une vers l'autre forment respectivement deux pièces polaires 4 et 5, délimitant entre elles un entrefer 6 dans lequel est logé le rotor 2 du moteur, une bobine 7 associée au stator 3 et recevant les impulsions électriques d'un circuit électronique non représenté. La surface d'extrémité de chaque pièce polaire possède un évidement 8. Pour simplifier la description, on supposera que la forme de cet évidement 8 est cylin- dricue et de rayonr'. Comme cela apparait plus clairement à la figure 2, les deux pièces polaires 4 et 5 sont décalées l'une par rapport à l'autre. De façon plus générale, sans sortir du cadre de l'invention, on prendra comme évidement 8 de la pièce polaire 4 une portion de cercle de rayon R1 et de centre C1, et comme évidement 8 de la pièce polaire 5, une portion de cercle de rayon R2 et de centre C2. Les valeurs des rayons R1 et R2 peuvent être différentes ou sensiblement égales. Comme le montre la figure 2, l'axe 10 de l'évidement de la pièce polaire 4 est décalé d'une valeur représentée par a par rapport à l'axe 11 de l'évidement de la pièce polaire 5, ceci dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor 2 matérialisé par le centre Ar. Ce décalage peut avoir une valeur comprise entre 80} et 200 p. Il est I noter que si le décalage est effectué sur une seule des deux pièces polaires, par exemple la pièce polaire 4 dont le centre C1 de l'évidement 8 serai- centré sur l'axe 13 du rotor 2, l'axe 13 materua!_sa n le plan (P) précité, la pièce polaire 5 serait excentrée de la valeur a a raDort a l'axe 13, le résu'lat ob-enu est comoarable a uLn s,stème totalement svmtricue et axé sur l'axe 13 du rotor 2 suiva nt le 2481-019 schéma représenté par la figure 2, car c'est la position relative des deux pièces polaires 4 et 5 du stator 3 entre elles qui est importante et non leur position par rapport à l'axe 13 du rotor 2. D'autre part, ce décalage sera d'autant plus grand que les diamètres des évidements et de l'aimant du rotor seront grands, que le rapport entre l'entrefer moyen et le diamètre de l'aimant du rotor sera grand, que le couple moteur désiré sera grand, que le BH max de l'aimant sera faible, que le flux de la bobine sera grand, que le rendement du moteur sera faible, et que la consommation électrique du moteur pour un pas sera grande. Sur cette figure 2, les évidements 8 des pièces polaires 4 et 5 sont représentés par des portions de cercle respectivement de centre C1 et de rayon R1 et de centre C2 et de rayon R2, ceci étant figuré dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation Ar du rotor 2. Les centres C1 et C2 normalement situés sur l'axe 14 sont respectivement écartés par rapport à cet axe 14 matérialisant le plan perpendiculaire au plan (P) défini par l'axe de rotation Ar du rotor 2 et la direction principale du flux 13 généré par la bobine 7 circulant dans l'entrefer 6, d'un espace b et c, la valeur de chaque espace étant comprise entre 80 z et 150 y. Cet écartement est encore appelé recul (R = b + c). Il est aussi à noter que c'est la position respective des deux pièces polaires 4 et 5 du stator 3 qui influence les caractéristiques du moteur 1. Ainsi, la figure 2 montre un recul symétrique de chaque pièce polaire 4 et 5 par rapport à l'axe 14, mais ce recul peut être reporté sur une seule pièce polaire par exemple 4, l'autre pièce polaire 5 n'étant pas reculée par rapport au plan passant par l'axe 14 du rotor 2 et perpendiculaire à l'axe 11. En d'autres termes, le centre C1 du cercle de l'évidement 8 de la pièce polaire 4 peut être écarté par rapport au plan passant par l'axe de rotation Ar du rotor 2 et perpendiculaire à l'axe de la pièce polaire 4 de la somme des deux espaces b et c, suivant la direction de l'axe 10 de la pièce polaire 4; le centre C2 du cercle de l'évidement 8 de la pièce polaire 5 restant axé sur l'axe 14 matériali- sant le plan passant par l'axe de rotation Ar du rotor 2 et perpendiculaire à la direction principale du flux généré par la bobine 7 et circulant dans l'entrefer 6. Sur la figure 2 il est aussi indiqué l'aire 19 dans laquelle, l'axe de rotation Ar du rotor 2 peut être positionné. Cette aire 19 est délimitée par un cercle de rayon d'une valeur de 200 p et dont le centre est situé au milieu du segment C1-C2, dans le plan de la figure 2, c'est-à-dire un plan perpendiculaire à l'axe de rotation Ar du rotor 2. Les figures 3 et 4 illustrent l'inversion du sens de rotation du rotor 2, en inversant le décalage des axes 10 et 11,xsspectivement des pièces polaires 4 et 5. Lorsque l'axe 11 de la pièce polaire 5 est poitionné au-dessus de l'axe 10 de la pièce polaire 4, le sens de rotation 22 du rotor 2 est celui inverse des aiguilles d'unae montre. Lorsque l'axe 11 de la pièce polaire 5 est situé au-dessous de l'axe 10 de la pièce polaire 4, le sens de rotation 23 du rotor 2 est celui des aiguilles d'une montre (figure 4). Ce décalage peut Ctre avantageusement réalisé au moyen de poussoirs repérés schématiquement 24 et 24a sur le bottier d'une montre ou d'un réveil. Ceci permet d'effectuer une mise à l'heure. D'autre part, la figure 3 montre l'angle A repré- sentant la phase du couple d'indexage par rapport à l'axe 13, le couple d'indexage étant dé à la variation de reluctance du circut magnétique de l'aimant du rotor 2, la bobine 7 n'étant pas alimentée en courant. Il est aussi représenté la valeur angulaire cL allant de 0 à 360 indiquant la position du rotor 2, lors de 248t101 sa rotation. D'autre part, compte tenu des valeurs relativement importantes du décalage des axes des évidements des pièces polaires, du recul, et de l'entrefer, il devient possible de loger dans l'espace de l'entrefer, une ou plusieurs pièces, comme cela va être décrit ci-après. Sur la figure 5, il est montré une lanterne 25 servant à positionner au moins un palier 26 du rotor 2, l'autre palier 27 étant supporté par une plaque support 29 sur laquelle est fixée également la lanterne 25. Cette lanterne 25 comporte une partie centrale verticale 30 qui passe dans l'entrefer 6 formé par le stator 3 et le rotor 2. Le repère 28 indique un rouage associé au rotor 2. Sur la figure 6, il est montré un frein de Foucault constitué d'une bague massive 31 entièrement circulaire ou non pour mieux amortir les mouvements du rotor 2 en fin de pas. Cette bague massive 31 en matériau très conducteur, par exemple du cuivre, est logée dans l'entrefer 6 entre le rotor 2 et le stator 3. Cette bague prend appui sur une plaque support 29 par î'inter- médiaire de cales 32. Sur la figure 7 il a été représenté le passage d'un axe de rouage 40 entre le rotor 2 et le stator 3. L'axe de rouage 40 traverse la pièce polaire 4 dans une encoche 41 débouchant dans l'entrefer et ceci sans perturber le fonctionnement du moteur 1. Il est à noter que l'axe de rouage ou toute autre pièce peut être en matériau ferro-magnétique et peut être totalement indépendant du fonctionnement électro- magnétique du moteur. La position de cet axe de rouage diminue au maximum l'entraxe du premîr engrenage, ce qui permet de réduire les dimensions d'une montre. Les figures 8 et 9 représentent respectivement le couple moteur Cm en fonction du décalage D des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5, et le couple moteur Cm en fonction du recul R. Ce couple est mesuré sur l'aiguille des secondes. Comme on le voit sur la figure 8, o les courbes sont établies pour un recul donné, à tension et à largeur d'impulsion électrique données, le segment s1 de la courbe 50 représente la zone utilisable pour un moteur dans l'état actuel de la technique, le segment s2 sur la courbe 51 représente le segment utilisable pour un moteur suivant l'invention. La figure 9 montre la courbe 55 pour un décalage minimal des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5, et la courbe 54 montre un décalage maximal des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5. La figure 10 représente le couple moteur Cm en fonction de la tension U pour des valeurs de décalage D différentes. La courbe 56 est réalisée avec un décalage de 80 p, la courbe 57 est réalisée avec un décalage de 120 y, la courbe 58 est réalisée avec un décalage de 160 p. Sur la courbe 56, le repère 59 représente la discontinuité du couple moteur Cm en fonction de la tension U et le repère 60 représente la tension au-delà de laquelle le moteur ne fonctionne plus. De même sur la courbe 57, le repère 61 représente la discontinuité du couple moteur Cm en fonction de la tension U et le repère 62 représente la tension au-delà de laquelle, le moteur ne fonctionne plus. On notera que plus le décalage est important, plus les points de discontinuité sont éloignés du point de fonctionnement (1,5 V)O Il en est de même pour les courbes représentatives du couple moteur en fonction de la largeur d'impulsion. Le fonctionnement du moteur est le suivant lorsqu'on applique des impulsions électriques alternées aux bornes de la bobine 7, on fait apparaitre alteratbveent 1 0 des pales sud et des p&zes nord. dans les pièces polaires 4 et 5 du stator 3 qui repoussent les pales sud et nord du rotor 2 alternativement suivant la polarité des impulsions. De ce fait, le rotor 2 effectue des rotations de 1800 à chaque impulsion. Le fonctionnement d'un moteur étant connu en soi, il n'est pas nécessaire de décrire plus en détail son fonctionnement. Une des conséquences supplémentaires de l'invention réside en ce que, compte tenu de l'entrefer relativement grand, et de la possibilité de positionner l'axe de rotation du rotor en tout point de l'aire19, si on excentre l'aimant de l'axe de rotation de façon à présenter un fort mal rond sur le rotor, et si l'on déplace l'axe de rotation dans une direction voisine de l'angle A de phase d'indexage précité, et d'une valeur voisine ou supérieure au mal rond du rotor, on peut envisager un moteur conforme à l'invention qui ferait un pas par tour (au lieu de deux) à condition de l'alimenter en impulsiorsuni-polaire, à la place d'impulsions alternées comme précédemment. On peut noter que le couple moteur ne varie pratiquement pas en fonction de la variation du décalage des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5 comme le montre la figure 8, ce qui permet d'obtenir une très grande tolérance sur le positionnement des pièces polaires 4 et 5 vis-à-vis des dispersions inévitables en fabrication. Ces tolérances sont de l'ordre de + 10,u. Ceci s'explique de la façon suivante, suivant la figure 3,.l'angle A représente la phase du couple d'indexage par rapport à l'axe 13. Le couple d'indexage est dé à la variation de reluctance du circuit magnétique de l'aimant du rotor 2, la bobine 7 n'étant pas alimentée en courant. L'axe 13 représente l'axe du flux dé aux seuls ampères tours de la bobine 7. L'angle A est compris entre 0 et 900, - au voisinage de 0 : le moteur ne fonctionne pas, - au voisinage de 90 : le moteur est capable de tourner dans les deux sens. Lorsque le décalage entre les axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5 varie autour de la valeur choisie, le module du couple d'indexage varie aussi: - si ce décalage diminue, cela entraine un couple d'indexage plus faible, si inversement ce décalage augmente, le couple d'indexage deviendra plus grand. En prenant des valeurs optimales d'entrefer, de décalage des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5, de. recul.., de position de l'axe A r du rotor 2, des caractéristiques de la bobine 7 et du rotor 2, il est possible de parvenir à faire varier automatiquement la phase A de l'indexage, lorsque le module du couple d'indexage change à la suite d'une dispersion de fabrication portant sur le décalage des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5o L'explication en est la suivante: une variation du décalage des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5 autour de la valeur choisie, entraîne une modification en formeamplitude et phase de la courbe de reluctance en fonction de l'angle a du circuit magnétique vu de l'aimant du rotor 29 qui se répercute par une modification de la courbe du couple d'indexage, en fonction de l'angle d-cau point de vue phase A, amplitude et forme. L'angle A augmente en même temps que le module du couple d'indexage et que le décalage des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5 augmentent et inversement, l'angle A diminue en même temps que le module du couple d'indexage et que le décalage des axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5 diminuent. Ainsi, un moteur réalisé suivant la présente invention est peu--sensible aux dispersions de fabrication portant sur le décalage des pièces polaires, car le couple moteur reste sensiblement constant dans une très large gamme de décalage comme le montre la figure 8. On peut noter en outre que la combinaison d'un décalage entre les axes 10 et 11 des évidements des pièces polaires 4 et 5 et d'un recul relativement important, avec un entrefer également relativement important tel que le rapport de l'entrefer moyen et le rayon du rotor soit compris entre 0,7 et 1, entraIne une très grande tolérance de fabrication. Les différents modes de réalisation du moteur conformes à l'invention représentés précédemment peuvent non seulement s'appliquer à une montre, mais également à un réveil et de façon plus générale à l'industrie horlogère, et à tout mécanisme de précision incluant des moteurs pas à pas. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. C'est dire que celle-ci comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si elles sont effectuées suivant l'esprit de l'invention et entrent dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Moteur pas à pas notamment pour montre électronique, comprenant une bobine d'excitation associée au stator, un stator dont les deux extrémités libres recourbées l'une vers l'autre formant respectivement deux pièces polaires délimitant entre elles un entrefer dans lequel est logé le rotor du moteur, ce rotor comprenant un aimant permanent, l'extrémité libre de chaque pièce polaire possédant un évidement de forme sensiblement cylindrique tel que l'axe de chaque cylindre soit parallèle à l'axe de rotation du rotor, caractérisé en ce que les deux axes des deux cylindres sont décalés l'un par rapport à l'autre d'une valeur comprise entre y et 200 y dans une direction perpendiculaire au plan (P) défini par l'axe de rotation du rotor et la direction principale du flux généré par la bobine et circulant dans l'entrefer. 2. Moteur pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes des deux évidements, habituellement dans Un plan perpendiculaire au plan (P) précité, peuvent être écartés l'un de l'autre d'une valeur comprise entre 80 y et 400 p dans une direction parallèle au plan (P). 3. Moteur pas à pas selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur précitée est de préférence comprise entre 150 y et 300 >x. 4. Moteur pas à pas selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 1 'axe de rotation du rotor peut être positionné en tout point d'une aire perpendiculaire audit axe, délimitée par un cercle de rayon d'une valeur de 200yp et dont le centre est situé au milieu du segment joignant les deux axes des deux évidements dans un plan perpendiculaire à ces deux axes. 5. Moteur pas à pas selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre l'entrefer moyen et le rayon de l'aimant du rotor a une valeur comprise entre 0,7 et 1. 6. Moteur pas à pas selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins une pièce polaire peut se déplacer par rapport à l'autre, dans un sens ou dans l'autre, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor,pour inverser le sens de rotation du rotor, dans le but d'une mise à l'heure électronique. 7. Moteur pas à pas selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prévoit au moins une encoche profonde dans au moins l'un des évidements, de façon à loger au moins une pièce ferro-magnétique ne participant pas au fonctionnement électromagnétique du moteur, par exemple un axe de rouage en acier. 8. Moteur pas à pas selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il entraine l'ensemble des équipements mobiles d'une montre. 9. Montre électronique caractérisée en ce qu'elle comprend un moteur tel que défini selon l'une des revendications précédentes.