Brevet FR2490035A1 — publié le 19820312

La présente invention concerne de façon générale les moteurs électriques pas à pas, et plus précisément un moteur pas à pas ayant un rotor incliné par rapport à son arbre de sortie. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 83 339 déposée le 10 octobre 1979 par John Howard Carlson représente un générateur de mouvement ondulatoire ayant deux ou trois lobes et faisant partie d'un mécanisme de transmission de mouvement. Ce générateur agit sur un pi- gnon d'un élément flexible, dans un mode de réalisation particulier, et transmet une énergie de rotation à un ar- bre de sortie. La transmission du mouvement dans des mo- teurs est aussi décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 331 974 de Proctor selon lequel un rotor qui peut fléchir, muni de dents de canneluresprès d'une première extrémité, coopère avec des cannelures disposées circulairement, formées dans deux régions diamétralement opposées, afin qu'un mouvement relatif de rotation soit assuré. Le rotor est cependant réalisé à l'aide d'un feuil- lard magnétique enroulé à l'intérieur, et une contrainte de fléchissement radial est induite dans le rotor et limite le nombre de pas par tour de l'arbre de sortie. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 456 139 (Newell), 3 492 151 (Foskett), 3 644 764 (Newell) et 3 894 255 (Newton) concernent des perfectionnements ulté- rieurs des moteurs pas à pas et décrivent chacun des moteurs pas à pas mettant en oeuvre un type ou un autre de rotor à un seul lobe. Ilsmettent aussi en oeuvre une articulation universelle assurant le montage d'un pignon soumis à une nutation ou d'un rotor analogue à un tambour,surun arbre de sortie. Ce type de connexion peut cependant présenter un grippage et peut se rompre prématurément. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique précité n0 3 456 139 (Newell) décrit un tambour de modulation double disposé autour d'un joint à rotule et qui présente un dessin sinusoïdal d'usure. Le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n0 3 492 515 (Foskett) décrit une couronne dentée latérale repoussée élastiquement vers un organe sphéroldal par un ressort. Le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique no 3 644 764 (Newell) décrit aussi une couronne dentée latéralement ayant deux jeux de dents associés, montés sur un joint à rotule disposé sur un arbre de sortie. Le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n0 3 894 255 (Newton) représente un moteur à un seul lobe ayant un rotor analogue à un tambour, muni d'un joint à rotule près d'une première ex- trémité, et un arbre allongé muni d'un pignon avec un bout qui subit un mouvement de gyration autour d'un bout fixe analogue formé dans une cloche d'extrémité. Cette disposi- tion présente des complications dans son support et ses fonctions d'entraînement, pour atteindre son objectif. L'invention concerne un moteur pas à pas ayant une construction moins compliquée que celle des moteurs connus. Elle concerne aussi des moteurs pas à pas dans lesquels des couronnes à denture interne et externe peuvent être facilement montées, et ont des dents en nom- bres différents permettant l'obtention de divers rapports. Elle concerne aussi un moteur pas à pas à mou- vement harmonique dans lequel la contrainte de fléchissement radial dans le rotor lui-même est éliminée. Elle concerne aussi un moteur pas à pas ayant un rotor fixé à un arbre de sortie par un diaphragme ou organe flexible de support, et capable de présente un ren- dement, une plage de fonctionnement et une économie bien supérieurs à ceux des moteurs pas à pas connus. L'invention concerne un moteur pas à pas ayant un stator et un cylindre ou rotor rigide, ayant une couronne dentée externe placée autour de sa première extrémité, cette extrémité ayant des dents tournée vers l'extérieur et des- tinées à coopérer avec des dents disposées sur le boîtier, sur une couronne à denture interne, lorsque le moteur est alimenté. L'autre extrémité du cylindre ou rotor a un dia- phragme ou organe de support fixé transversalement et monté sur un arbre de sortie. L'axe du cylindre ou rotor rigide est incliné par rapport à celui de l'arbre de sortie lors- que le moteur est alimenté, le cylindre ou rotor conser- vant sa configuration cylindrique lors du fonctionnement du moteur. La première extrémité du cylindre ou rotor dé- crit un mouvement orbital dans le stator, lors de l'alimen- tation, l'axe du cylindre ou rotor décrivant un cône de précession lorsqu'il se déplace à l'intérieur et assurant la rotation de l'arbre de sortie. Les dentures interne et externe peuvent avoir des nombres différents de dents et peuvent être montées afin que le rotor fonctionne avec divers rapports différents. Le cylindre ou rotor lui-même a une construction rigide, éliminant les contraintes de fléchissement radial, et permettant l'utilisation d'un nom- bre de pas, par tour de sortie, très inférieur à celui qui peut être obtenu par ailleurs avec les moteurs pas à pas à mouvement harmonique. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective avec des parties arrachées d'un moteur pas à pas à cylindre ou rotor orbital réalisé selon l'invention; et la figure 2 est une perspective avec des parties arrachées d'une variante du moteur représenté sur la figure 1. On se réfère aux dessins détaillés sur lesquels la figure 1 représente un moteur pas à pas 10, comportant un boîtier 12 ayant un premier capuchon 14 d'extrémité, une partie intermédiaire 16 et un second capuchon d'extrémité 18. Un arbre 20 de sortie tourillonne dans un premier et un second coussinet 22 et 24 placés dans le premier et le second capuchon 14 et 18 respectivement. Ces capuchons 14 et 18 peuvent être serrés par plusieurs boulons 26 en di- rection axiale contre la partie intermédiaire 16 du boîtier, celle-ci entourant un stator feuilleté 28. Un cy- lindre ou rotor rigide et de forme générale cylindrique 30, perméable magnétiquement, est disposé dans le stator 28 et il est fixé à l'arbre 20 de sortie par un arrangement flexible pouvant avoir des rayons mais qui est de préférence un diaphragme 32. Un collier 34 est solidaire de l'arbre et il est fixé à la partie radialement interne du dia- phragme ou organe flexible de support 32 afin que le positionnement relatif soit facilité. Une bague 36 de re- tenue, logée dans une gorge 38 formée sur l'arbre 20, est en butée contre le premier coussinet 22 et empêche tout déplacement longitudinal relatif de l'arbre 20 dans un sens, alors qu'un flasque 40 du second coussinet 24 empêche un déplacement axial relatif de l'arbre 20 dans l'autre sens. Le cylindre rigide 30 a une première couronne à denture externe 42 formant un premier pignon, disposée circonférentiellement de façon générale près de l'extrémité opposée au diaphragme ou organe de support 32. Le premier capuchon d'extrémité peut avoir un flasque annulaire 44 en forme de bague, disposé coaxialement à l'arbre 20 de sortie, ce dernier ayant un axe de rotation A indiqué sur la figure 1. Une seconde couronne dentée 46 de forme cir- culaire, à denture interne, peut être placée près de la périphérie du flasque annulaire 44, au bord interne de celui-ci et à son extrémité opposée au capuchon. Le stator 28 a un alésage 48 formé suivant sa longueur et dans lequel le rotor 30 est supporté. L'alé- sage 48 peut avoir un diamètre légèrement agrandi près des couronnes 42 et 46 et il se rétrécit légèrement vers le dia,:.agme 32. La dimension du rotor 30 peut varier récipro- quemrent, c'est-à-dire que son diamètre à la première extré- mité proche de la première couronne 42 peut être inférieur à son diamètre au niveau du diaphragme 32. La couronne den- tée circulaire 46 peut avoir des dents découpées en direc- tion inclinée correspondant à l'inclinaison de l'alésage 48 formé dans le stator 28. Ainsi, dans un mode de réalisation, la couronne 46 peut avoir un diamètre plus petit près de la périphérie du flasque annulaire 44 la plus éloignée du capuchon que près de l'autre extrémité de ce flasque, afin que l'inclinaison du rotor 30 pendant le fonctionnement du moteur soit compensée. Le stator 28 peut être formé de plusieurs feuil- letsdisposés côte à côte et revêtus de manière classique afin qu'ils soient isolés. Ils peuvent être découpés avec des configurations identiques et munis de noyaux équidis- tants, placés à l'intérieur et ayant des faces polaires courbes, puis empilés et usinés afin que l'alésage 48 pré- cité, de forme légèrement conique,soit formé. Le stator 28 a un bobinage inducteur destiné à être alimenté successi- vement par un circuit non représenté de commande afin que les pôles adjacents circonférentiellement puissent attirer successivement le cylindre ou rotor 30, lors du fonction- nement, en assurant le mouvement avec celui-ci. Ainsi, lors- qu'une ou plusieurs paires de pôles adjacents du stator 28 sont alimentées, le cylindre ou rotor rigide circonféren- tiellement 30 a un axe longitudinal B qui, pendant l'alimen- tation, est décalé ou incliné afin qu'il assure la coopéra- tion des dents correspondantes des couronnes à dentures interne et externe 46 et 42 respectivement. Le diaphragme 32, maintenant le rotor 30 sur l'arbre 20, fléchit en con- séquence et permet le déplacement de l'axe B du cylindre ou rotor 30 de sa position en coïncidence avec l'axe A de l'ar- bre 20 de sortie à une position légèrement inclinée par rapport à cet axe, lorsque le moteur 10 est alimenté. Le diaphragme peut être solidaire du cylindre ou rotor 30 comme indiqué sur la figure 1, ou il peut être fabriqué indépendamment de celui-ci puis soudé sur des flasques cir- conférentiels adjacents radialement et non représentés. Lorsque les paires de pâles adjacents circonfé- rentiellement formés dans le stator 28, placésen avant, sont alimentées progressivement de manière convenable et lorsque les paires de pôles placés en arrière cessent d'être alimentées, le cylindre ou rotor 30 décrit un mou- vement orbital dans l'alésage 48, l'axe de rotation B du cylindre ou rotor 30 décrivant un cône de précession. La couronne à denture externe 42 a un plus petit nombre de dents que la couronne fixe à denture interne 46 si bien que la position de l'arbre 20 de sortie en rota- tion se déplace d'une quantité égale à la différence entre le nombre de dents des couronnes 46 et 42 pour chaque or- bite ou mouvement de rotation du cylindre ou rotor 30. Plusieurs rapports d'orbites du cylindre ou rotor par tour de l'arbre de sortie peuvent être utilisés par mise en oeuvre de l'invention selon laquelle des cylindres ou rotors successifs peuvent avoir des nombres différents de dents dans la couronne à denture externe. Les couronnes 46 et 42 à dentures interne et externe peuvent être fabriquées sous forme de parties des organes correspondants, c'est-à- dire du flasque annulaire et/ou du rotor 44 et 30, ou elles peuvent être fabriquées indépendamment puis associées par soudage ou analogue. Il faut noter que, dans une variante, la couronne placée à la première extrémité du cylindre ou rotor 30 peut avoir une denture interne et que la couronne fixe 46 peut avoir une denture externe, le cylindre ou rotor 30 décri- vant un mouvement orbital alors que sa périphérie corres- pondante est disposée radialement à l'extérieur du flasque annulaire 44. Il faut aussi noter un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 2, dans lequel le rotor, qui est de préférence, dans ce mode de réalisation, un cylindre , est tel que la partie radialement interne du diaphragme ou organe de support 32 est fixée à un premier capuchon 18 d'extrémité et le premier pignon 46 constitue l'organe de sortie destiné à tourillonner par rapport à l'autre capu- chon d'extrémité 14, dans un coussinet 50, et à être fixé à un arbre 52 de sortie par l'intermédiaire d'un support 54 sous forme d'un flasque annulaire, placé entre eux. L'ex- trémité voisine du cylindre 30 subit donc un mouvement or- bital à cet emplacement autour de l'arbre de sortie, pen- dant l'alimentation du moteur, et provoque la coopération progressive circonférentielle des dents des deux couronnes 42 et 46, assurant la rotation de l'arbre de sortie; cepen- dant, l'organe de support ou diaphragme étant lui-même fixé à un capuchon 18 d'extrémité n'a pas de composante de rotation résultante autour de l'axe A du moteur. Ainsi, l'invention concerne un moteur pas à pas à un seul lobe ayant une plage de sortie plus large que celle des moteurs connus, par mise en oeuvre d'un mécanisme flexible dans lequel les différents éléments du moteur sont plus simples, moins coûteux et de plus longue durée que ceux des moteurs connus. REVENDICATIONS 1. Moteur pas à pas à mouvement harmonique, carac- térisé en ce qu'il comprend: - un boîtier ayant un premier et un second capuchon d'extrémité, - un stator ayant des pôles qui peuvent être ali- mentés et qui sont espacés autour d'une surface sensiblement cylindrique qui délimite un alésage disposé en direction générale axiale dans le boîtier, et - un organe de sortie disposé dans le moteur, ledit- moteur étant caractérisé en ce qu'il comporte: - un cylindre rigide (30) ayant un support flexible (32) à une première extrémité, et une première couronne dentée (42) disposée à l'autre extrémité du cylindre (30), et - une seconde couronne dentée (46) qui est sup- portée dans l'un des capuchons d'extrémité (14, 18) du boî- tier (12) à proximité de la première couronne dentée (42), l'alimentation sélective des pôles assurant la coopération sélective de la première (42) et de la seconde couronne den- tée (46) et assurant le déplacement orbital du cylindre (30) et le mouvement de rotation de l'organe de sortie (20; 52). 2. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde cou- ronne dentée (46) est montée sur l'un des capuchons d'ex- trémité (14;18) par l'intermédiaire d'un flasque annulaire (44; 54) 3. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de sor- tie (20; 52) est un arbre qui tourillonne dans l'un au moins des capuchons d'extrémité (14; 18). 4. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'arbre de sortie (20) est raccordé au support flexible (32). 5. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'arbre de sortie (52) est raccordé à la seconde couronne dentée (46). 6. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première couronne dentée (42) disposée sur le cylindre (30) est formée à la périphérie externe de celui- ci, et la seconde couronne dentée (46) portée par le flasque annulaire (44, 54) est disposée à la périphérie interne de celui-ci. 7. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cylindre ri- gide (30) a un axe de rotation incliné par rapport à l'axe de rotation de l'arbre de sortie (20; 52) lors de l'ali- mentation des pôles formés dans le stator (28). 8. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'axe de rotation du cylindre rigide (30) décrit un cône de précession lors- que le cylindre rigide (30) décrit un mouvement orbital au- tour de l'arbre de sortie (20; 52). 9. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alésage du sta- tor a sa surface périphérique inclinée par rapport à l'axe de rotation de l'arbre de sortie (20; 52). 10. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les dents disposées sur le flasque annulaire (44, 54) sont légèrement inclinées par rapport à l'axe de rotation de l'arbre de sortie (20 52). 11. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le cylindre rigide (30) conserve sa forme cylindrique lorsqu'il décrit son mouvement orbital autour de l'arbre de sortie (20; 52). 12. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la seconde cou- ronne dentée (46) disposée sur le flasque annulaire (44, 54) peut être remplacée sur celui-ci. 13. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'alimentation progressive de paires choisies de pôles et la cessation progressive de l'ali- mentation de paires sélectives de pôles provoquent le déplacement orbital du cylindre (30) et la rotation de l'arbre de sortie (20; 52), les deux jeux de pôles étant contigus au point de contact de l'arrangement des couronnes dentées (42, 46). 14. Moteur pas à pas à mouvement harmonique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le support flexible (32) placé à une extrémité du cylindre (30) est un diaphragme disposé transversalement au cylindre.