Brevet FR2521794A1 — publié le 19830819

La présente invention concerne un ensemble de moteur électrique permettant d'entraîner en rotation, avec une vitesse élevée et une grande précision, un arbre moteur, et, plus spécialement, elle concerne un ensemble de moteur électrique destiné à entraîner en rotation, avec une vitesse élevée et une grande précision, le miroir polygonal d'une imprimante à laser par exemple. Des imprimantes utilisant des lasers ont récemment été mises au point Une semblable imprimante à laser de la technique antérieure comprend par exemple un laser à semi-conducteur 1, un miroir polygonal 2 et un tambour 4 doté d'une surface photoconduc- trice 3, comme on peut le voir sur la figure 1 des dessins annexés. Dans cette imprimante à laser, un faisceau laser produit par le laser à semi-conducteur 1 est concentré par un réducteur de faisceau 5 et dirigé sur un modulateur 6 Dans le modulateur 6, l'intensité du faisceau laser est modulée en fonction d'un signal électrique Après être passé dans le modulateur 6, le faisceau laser est projeté sur le miroir polygonal 2 via un dilatateur de faisceau 7 Réfléchi par une surface réfléchissante du miroir polygonal 2, le faisceau laser est ensuite projeté sur la surface photoconductrice 3 du tambour 4 via un objectif de projection 9 Puisque le miroir polygonal 2 est entratné en rotation à une vitesse constante, le faisceau laser réfléchi par la surface réfléchissante du miroir polygonal 2 est dévié de façon que la surface photoconductrice 3 soit balayée par le faisceau laser Puisque le faisceau laser est modulé en intensité par le modulateur 6, et que le tambour tourne dans un sens spécifié à une vitesse constante, il se forme une image latente, par exemple un dessin ou des caractères, sur la surface photoconductrice 3. Dans l'imprimante à laser ci-dessus mentionnée, le miroir polygonal 2 est entraîné à une vitesse élevée et constante avec une grande précision par un ensemble de moteur 8 Pour permettre ce type de rotation du miroir polygonal 2, il faut que l'ensemble de moteur 8 possède les propriétés suivantes. (i) Pas de contamination du miroir polygonal par l'huile de lubrification de l'arbre ou d'une pièce analogue pendant la rotation. 2 5 2 1 7 9 4 (ii) Longue durée d'utilisation. (iii) Moindres pertes dues au couple de frottement au démarrage ou pendant l'état de rotation stationnaire. (iv) Facilité du transport. (v) Facilité de l'équilibrage. (vi) Pas d'éléments rotatifs possédant un mode vibratoire complexe, susceptibles de subir des vibrations de haute fréquence. Dans un ensemble de moteur classiques satisfaisant ces conditions, l'arbre est monté rotatif grâce à un palier du type à pression hydrodynamique Les paliers du type à pression hydro- dynamique comprennent des paliers du type à chevrons et du type à patins inclinants Toutefois, les paliers de ces types ne sont pas faciles à fabriquer. L'utilisation d'un palier à aimants permanents du type répulsion non commandé comme palier de butée pour l'arbre est décrite dans le brevet japonais publié N O 6854/78 Toutefois, il est difficile pour ce palier magnétique de s'équilibrer d'une manière statique Si une force dynamique externe est appliquée au palier magnétique, la rigidité du palier varie avec la direction du vecteur non fixe de la force de travail Ainsi, le palier magnétique possède des caractéristiques médiocres de stabilité et de rigidité. Par comparaison avec un palier de butée magnétique non commandé, un palier de butée magnétique commandé combinant un aimant' permanent et une bobine présente l'avantage d'une bonne stabilité et d'une rigidité élevée Toutefois, puisque ceci demande un appareillage périphérique, le palier commandé rend ce moteur compliqué à cons- truire Ainsi, il est difficile de fabriquer un semblable moteur à un coût réduit. Il est également possible d'utiliser comme moteur un moteur d'induction ou un moteur à courant continu. Toutefois, le moteur d'induction est doté de nom- breux accessoires et est par conséquent coûteux, et il produit en outre un important dégagement de chaleur Le moteur à courant continu ne peut pas facilement maintenir une vitesse stationnaire. Le but de l'invention est de proposer un ensemble de moteur électrique permettant d'assurer une rotation à vitesse élevée avec une grande précision et un moindre frottement et donnant une durée d'utilisation plus longue. Selon l'invention, il est proposé un ensemble de moteur électrique qui comprend un arbre possédant un tourillon doté d'un certain nombre de rainures orientées parallèlement entre elles et à l'axe de l'arbre, un rotor monté sur l'arbre pour tourner avec lui, un stator servant à entratner en rotation le rotor, un palier qui reçoit le tourillon et qui possède une surface interne tournée vers la surface externe du tourillon de façon qu'un intervalle existe entre eux, un bottier de moteur sur lequel le palier et le stator sont fixés, et un moyen permettant de faire flotter l'arbre et comportant au moins un aimant de rotor fixé sur l'arbre et un aimant de stator dans lequel l'aimant de rotor est inséré, l'aimant de stator étant fixé au bottier et possédant une surface interne qui regarde vers la surface externe de l'aimant de rotor de façon qu'il existe un intervalle entre eux, les aimants de rotor et de stator possédant des pôles magnétiques de polarités opposées sur leurs surfaces externe et interne mutuellement en regard. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention,vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue simplifiée d'un dispositif d'imprimante à laser classique; la figure 2 est une vue en section droite d'un ensemble de moteur électrique selon un mode de réalisation de l'inven- tion la figure 3 est un graphe présentant les carac- téristiques de fonctionnement de l'ensemble de moteur de la figure 2 la figure 4 est une vue en section droite et en perspective montrant schématiquement un palier de butée magnétique présenté sur la figure 2; et la figure 5 est une vue en section droite et en perspective montrant de manière simplifiée une section de palier du type pression hydrodynamique présenté sur la figure 2. 252 1794 On se reporte maintenant à la figure 2 sur laquelle est présenté un ensemble de moteur selon un mode de réalisation de cette invention Dans cet ensemble de moteur, un aimant permanent inducteur 12 faisant fonction de stator et possédant un certain nombre de pôles magnétiques est monté à demeure dans un bottier cylindrique 10 de façon à entourer l'axe central 11 du bottier 10. Un ar bre 13 de l'ensemble de moteur est monté au moyen d'une paire de sections de paliers 14 et 15 du type à pression hydrodynamique, comme cela sera décrit de façon détaillée ci-après, et est coaxial à l'axe central 11 L'arbre 13 est doté d'un induit 16, faisant fonction de rotor, qui est tourné vers la surface interne de l'aimant permanent 12 De préférence, le moteur est du type à balai en cou- rant continu sans encoches dans lequel le nombre de conducteurs sensiblement actifs d'enroulement est réduit afin d'abaisser la densité de courant, comme cela est montré sur la figure 3, si bien que la vitesse du moteur peut être commandée de manière très précise. Un couvercle principal 17 associé à la première sec- tion de palier 14 est monté dans une ouverture du bottier cylindrique Un couvercle cache-poussière 18 servant à empêcher que la poussière ne pénètre dans la première section de palier 14 est monté sur le couvercle principal 17 Une première extrémité de l'arbre 13, fai- sant saillie par un trou 19 d'insertion d'arbre du couvercle cache- poussière 18, est dotée d'une paire de rondelles 21 et 22 servant au montage d'un miroir polygonal 20 Le miroir polygonal est maintenu entre les rondelles 21 et 22 et est monté de manière fixe sur l'arbre sana inclinaison par l'intermédiaire d'une vis 23 se vissant sur l'arbre 13 Une plaque 24 de circuit imprimé possédant un circuit incorporé destiné à commander l'alimentation en courant de l'induit 16 est disposée dans la partie de l'intérieur du bottier 10 qui se trouve entre le couvercle principal 17 et l'aimant permanent induc- teur 12 La plaque 24 est fixée au bottier 10. A l'intérieur du bottier 10, il est formé une par- tie de support cylindrique 25 destinée au montage de la deuxième section de palier 15 Un élément cylindrique 26 est ajusté dans l'autre ouverture du bottier 10 et est fixé par un couvercle 33 qui est monté sur l'autre extrémité du bottier 10 L'élément cylin- drique 26 est doté d'une section 27 de palier de butée magnétique, 252 1 794 qui sera décrit en détail ci-après en relation avec la figure 4. Des aimants permanents en forme de bagues 28-1 et 28-2 sont montés de manière fixe dans l'élément cylindrique 26 afin de former un stator de la section de butée magnétique 27 Les aimants permanents 28-1 et 28-2 sont coaxiaux à l'axe central 11 du rotor 16. Faits par exemple en ferrite, les aimants permanents 28-1 et 28-2 sont magnétisés de façon que leurs surfaces supérieure et inférieure forment respectivement des pôles sud et nord, comme on peut le voir sur la figure 4 En outre, des aimants permanents en forme de bagues 29-1 et 29-2 sont montés sur l'arbre 13 de façon à former un rotor de la section de palier de butée magnétique 27 Les aimants permanents 29-1 et 29-2 sont également coaxiaux à 1 ' xe central 11 du rotor 16, et sont disposés de façon que leurssurfaces externes soient tournées vers les surfaces internes des aimants permanents 28-1 et 28-2 du stator en laissant entre eux un étroit intervalle, par exemple un intervalle de quelques centaines de microns Egalement faits en ferrite par exemple, les aimants permanents 29-1 et 29- 2 du rotor sont magnétisés de façon à avoir des polarités opposées à celles des aimants de stator 28-1 et 28-2 respectivement en regard. Ainsi, dans l'exemple de la figure 4, les surfaces supérieure et inférieure des aimants de rotor 29-1 et 29-2 forment respectivement des pôles nord et sud Le nombre des aimants permanents de stator 28-1 et 28-2 et de rotor 29-1 et 29-2 de la section de palier de butée magnétique 27 n'est pas limité à celui de l'exemple 4 On peut choisir librement le nombre des aimants en fonction du poids de l'arbre 13, du miroir polygonal 20, etc, et de la force magnétique des aimants. Bien que les aimants de stator et de rotor soient normalement du même nombre, le nombre des aimants de stator ou celui des aimants de rotor peut être un multiple entier de celui de leurs collaborateurs. De plus, dans ce cas, les surfaces des pôles magnétiques en regard des aimants de stator et de rotor ne doivent pas nécessairement avoir des polarités mutuellement opposées. Comme le montre la figure 5, les sections 14 et 15 de paliers du type à pression Hydrodynamique sont chacune formées d'un palier cylindrique 30 présentant une surface interne lisse et d'un tourillon 32 qui regarde la surface interne du palier 30 en laissant entre eux un intervalle allant par exemple de plusieurs microns a quelques dizaines de microns, et il possède des rainures allongées 31 qui sont sensiblement parallèles à l'axe 11 et se répartissent à intervalles sensiblement réguliers autour de l'arbre 13 Chacune des rainures a par exemple une largeur de 100 pm et une profondeur de l Om Alors que chacune des rainures allongées 31 possède une section droite incurvée sur la figure 5, leur forme n'est pas limitée à cette configuration Par exemple, il peut être utilise une section droite en forme de V. Dans l'ensemble de moteur ci-dessus décrit, un flux magnétique se forme entre les aimants permanents de stator 28-1, 28-2 et les aimants permanents de rotor 29-1, 29-2 de la section de palier de butée magnétique 27, comme cela est indiqué par des lignes en trait interrompu sur la figure 4, de sorte que les aimants permanents de stator et de rotor s'attirent mutuellement Ainsi, l'arbre 13 est maintenu axialement flottant par les aimants per- manents 28-1, 28-2, 29-1 et 29-2 Lorsqu'un courant commandé est délivré à l'induit 16, l'arbre 13 commence à tourner Puisque l'arbre 13 se trouve à cet instant en train de flotter axialement grâce A l'action de la section de palier de butée magnétique 27, le couple initial de démarrage est ramené à 50 g cm, ou moins, par la simple force de frottement coulissant des sections 14 et 15 de paliers du type à pression hydrodynamique Ainsi, les pertes dues au couple de friction sont minimisées Si l'arbre est soumis à une force externe axiale, il est normalement ramené à une position fixe par l'attraction radiale que le palier de butée magnétique 27 applique à l'arbre 13 Ainsi, ceci empêche que l'arbre 13 ne vibre sous l'effet d'une force externe axiale Lorsque la rotation de l'arbre 13 atteint une vitesse prédéterminée, des courants d'air circulent de l'exté- rieur du tourillon 32 jusque dans les rainures allongées 31 en formant des couches d'air présentant une certaine répartition de pression dans les intervalles formés entre le tourillon 32 et le palier 30. Par conséquent, l'arbre 13 peut tourner de manière stable sans contact. Lorsque la vitesse de rotation est de 10 tr/min, l'oscillation irré- gulière de l'arbre 13 peut tre ramenée à 0,5 > im ou moins par un ajustement d'équilibre approprié Puisque le couple de charge de l'arbre 13 dans son état rotatif stationnaire est suffisamment petit, par exemple 3 W pour une rotation à 104 tr/min, la production de chaleur par l'induit 16 peut être minimisée Y compris les touril- lons 32 comportant les rainures 31 orientées suivant l'axe 11, les sections de paliers du type à pression hydrodynamique 14 et 15 peuvent être fabriquées à un moindre prix que des paliers du type à chevrons ou à patins inclinants, et les tourillons 32 peuvent tourner aussi -bien vers l'avant que vers l'arrière Puisque les sections de paliers 14 et 15 ne demandent aucune lubrification, elles ne salissent jamais le miroir polygonal 20. Avec l'ensemble de moteur selon l'invention, comme ci-dessus décrit, l'arbre est soutenu par un palier de butée magné- tique du type attraction et par des paliers à tourillons du type à pression hydrodynamique, et il peut maintenir une rotation stable à haute vitesse avec un couple de friction réduit au démarrage Par comparaison avec l'ensemble de moteur de la technique antérieure fournissant sensiblement la même performance, l'ensemble de moteur selon l'invention offre, en plus, une simplification de construction et une réduction du coût de fabrication. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'ensemble de moteur dont la description vient d'être donnée simplement à titre d'illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Ensemble de moteur électrique comprenant un arbre ( 13) qui possède un tourillon ( 32), un rotor ( 16) monté sur l'arbre de façon à tourner avec lui, un stator ( 12) destiné à entratner en rotation le rotor, un palier ( 30) recevant le tourillon ( 32) et possédant une surface interne qui est tournée vers la surface externe du tourillon de façon à laisser un certain intervalle entre ces surfaces, et un bottier ( 10) de moteur sur lequel le palier ( 30) et le stator ( 12) sont fixés, l'ensemble de moteur étant caractérisé en ce que le tourillon est doté d'un certain nombre de rainures ( 31) orientées de façon mutuellement parallèles à l'axe ( 11) de l'arbre, et en ce que l'ensemble de moteur comporte en outre un moyen ( 27) per- mettant de faire flotter l'arbre et comportant au moins un aimant de rotor ( 29-1, 29-2) fixé à l'arbre et un aimant de stator ( 28-1, 28-2) dans lequel l'aimant de rotor est inséré, l'aimant de stator étant fixe au bottier ( 10) et présentant une surface interne qui est tournée vers la surface externe de l'aimant de rotor de façon à laisser un certain intervalle entre ces surfaces, les aimants de rotor et de stator présentant des pôles magnétiques de polarités opposées sur leurs surfaces extérieure et intérieure mutuellement en regard. 2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur est du type à balai en courant continu. 3 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites rainures ( 31) du tourillon présente une section droite en courbe. 4 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir polygonal ( 20) fixé à l'arbre ( 13) de façon à tourner avec lui. ' Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aimant de stator ( 29-1, 29-2) est cylindrique.