Brevet FR2571906A1 — publié le 19860418

MCTEUR-COUPLE A DEUX ETAGES. La présente invention concerne un moteur-couple à deux étages destiné à communiquer à un second élément par rapport à un premier élément, avec un couple prédéterminé, un mouvement de rotation ou de pivotement de grande amplitude autour d'un axe principal, ainsi qu'un dispositif de suspension à trois degrés de liberté de rotation utilisant un tel moteur-couple. Un moteur-couple est un type de moteur électrique conçu pour transmettre un mouvement de rotation avec un couple bien défini, déterminé directement par la valeur du courant appliqué au moteur, ce qui implique la présence d'un couple de frottement négligeable et une zone de flux magnétique constant. On connait divers types de moteurs-couple qui présentent chacun des inconvénients majeurs pour certaines applications. Ainsi, les moteurs-couple du type à courant continu possèdent des balais et un nombre limité de lamelles de collecteur, ce qui engendre des ondulations parasites. De plus, un tel type de moteur présente également un frottement magnétique. Les moteurs-couple sans balais, du type à commutation électronique, présentent eux aussi des ondulations parasites. Les moteurs asynchrones à grand glissement ne présentent pas les ondulations parasites des moteurs à courant continu, ni de frottement magnétique. En revanche, ils ont un mauvais rendement qui fait chauffer le rotor du moteur. Les moteurs-couple à action électrodynamique, du type haut-parleur électrodynamique, peuvent hêtre de grande précision mais présentent toutefois un défaut majeur du fait que leur angle de déplacement est extrêmement faible. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un moteur-couple permettant d'obtenir, même avec des angles de déplacement importants, une précision de commande importante, c'est-à-dire une bonne proportionnalité entre la valeur du courant de commande appliqué et le couple fourni. Ces buts sont atteints gracie à un moteur-couple à deux étages du type mentionné en tête de la description caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble support solidaire dudit premier élément et supportant au moins un palier magnétique actif radial qui coopère avec une armature montée sur un arbre solidaire dudit second élément, un élément intermédiaire monté à l'aide de roulements afin de pouvoir tourner autour de l'axe principal par rapport à l'ensemble support, et au moins un moteur-couple à action électrodynamique à faible déplacement comportant un stator, fixé sur ledit élément et muni d'électro-aimants disposés selon un axe perpendiculaire audit axe principal, et une bobine reliée de façon rigide audit élément intermédiaire et montée coaxialement auxdits électro-aimants, et en ce qu'un moteur électrique additionnel commandé par un détecteur de la position axiale de ladite bobine par rapport audit stator est monté sur l'ensemble support pour entraider en rotation autour de l'axe principal, par l'intermédiaire d'un arbre de sortie et d'un réducteur, l'élément intermédiaire afin de tendre à ramener la bobine dans une position initiale de flux constant de l'aimant du stator. La mise en oeuvre d'un palier magnétique actif, qui a un couple de frottement très faible, très constant et reproductible, et celle d'un moteur-couple de type à action électrodynamique assurent de bonnes performances au dispositif selon l'invention. Par ailleurs, la conception à double étage, avec un élément intermédiaire entraîné en rotation par un moteur électrique additionnel de "rattrapage" permet d'appliquer un tel moteurcouple à double étage à l'obtention d'angles de déplacement très importants, sans perte de précision. Les défauts du moteur électrique de rattrapage ne sont en effet pas transmis à l'organe entraîné, car le moteur-couple électrodynamique reste le seul à définir le couple à transmettre. Ainsi, selon l'invention, le moteur-couple à action électrodynamique peut être un élément de haute précision tandis que le moteur électrique additionnel est constitué par un moteur classique de qualité courante. A titre d'exemple, le réducteur coopérant avec 1 'arbre de sortie du moteur électrique additionnel assure une réduction de l'ordre du dixième. Selon une caractéristique particulière, le palier magnétique actif radial comprend des enroulements d ' électro-aimant montés sur un circuit magnétique feuilleté, et un détecteur inductif de la position radiale de ladite armature par rapport audit circuit magnétique feuilleté, lequel détecteur inductif est disposé dans un plan radial voisin de celui dudit circuit magnétique feuilleté et délivre des signaux électriques d'erreur qui,par l'intermédiaire de circuits électroniques d'asservissement modifient le courant traversant lesdits enroulements d'électroaimantpour maintenir l'arbre dans une position stable par rapport audit premier élément. Selon un mode particulier de réalisation l'ensemblesupport comprend une première partie de plus grande section supportant sur sa face interne ledit palier magnétique actif radial et sur sa face externe ledit moteur électrique additionnel, et une seconde partie de plus faible section portant lesdits roulements de support de l'élément intermédiaire. Selon encore une caractéristique particulière, le détecteur de la position axiale de la bobine du moteur-couple à action électrodynamique comprend un potentiomètre. Le moteur-couple selon l'invention peut mettre en oeuvre deux moteurs-couple à action électrodynamique de haute précision coopérant avec un élément intermédiaire unique. La présente invention concerne également un dispositif de suspension d'un élément capable de pivoter de façon prédéterminée selon trois degrés de liberté autour des trois axes rectangulaires d'un repère tridimensionnel, notamment pour table de simulation, comprenant un anneau extérieur monté sur deux paliers pour pivoter par rapport à un bâti autour d'un premier axe, un anneau intérieur monté sur deux paliers pour pivoter par rapport à 1 'anneau extérieur autour d'un second axe perpendiculaire au premier axe et une plate-forme centrale montée sur deux paliers pour pivoter par rapport à 1' anneau intérieur autour d'un troisième axe perpendiculaire aux premier et second axes, lequel dispositif de suspension présente au moins l'un des paliers de chacune des paires de paliers de support selon les premier, second et troisième axes qui est constitué par un moteurcouple à deux étages tel que défini plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de suspension d'une plate-forme à trois degrés de liberté de rotation, auquel est applicable l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale selon l'axe principal de pivotement, d'un moteur-couple à deux étages selon l'invention, et - la figure 3 est une vue schématique en coupe selon la ligne III-III de la figure 3, montrant un étage de moteur-couple électodyamique utilisable dans le moteur-couple à deux étages selon l'invention. La figure 1 représente de façon schématique une plateforme 3, par exemple une table de simulation, suspendue de façon gyroscopique à un bâti 40 de manière à pouvoir présenter trois degrés de liberté de rotation selon un axe vertical ZZ' et deux axes horizontaux YY' et XX', les axes XX',YY',ZZ' étant perpandiculaires entre eux. La suspension de la plate-forme 3 est du type à la Cardan et comprend un ordre extérieur 1 monté à l'aide de paliers 4,5 sur le bâti 40 de manière à pouvoir pivoter autour de l'axe vertical ZZ' et un cadre intérieur 2 monté à l'aide de paliers 6,7 sur le cadre extérieur 1 de manière à pouvoir pivoter autour d'un premier axe horizontal YY'. La plate forme 3 est elle-même montée sur le cadre intérieur 2 à l'aide de paliers 8,9 afin de pouvoir pivoter autour d'un second axe horizontal XX'. Pour une plate-forme telle que la table 3 de la figure 1, il est avantageux de pouvoir commander des mouvements de rotation autour des axes XX',YY',ZZ' avec des couples bien déterminés. Pour cela, un moteur-couple à deux étages selon la présente invention peut être disposé au niveau d'au moins l'un des paliers de chacune des paires de paliers de support selon les axes XX',YY'et ZZ'. On envisagera dans la suite de la description, la mise en oeuvre à titre d'exemple d'un moteur-couple à deux étages selon la figure 2 au niveau du palier 7 de support qui coopère avec un arbre 21 orienté selon l'axe YY'. Un moteur-couple à deux étages similaire à celui de la figure 2 pourrait naturellement hêtre également disposé au niveau du deuxième palier 6 orienté selon le mêe axe YY' . En se référant à la figure 2 qui montre l'ensemble du dispositif selon l'invention, installé à la place du palier 7 de la figure 1, autour de l'arbre 21 orienté selon l'axe Y'Y et solidaire du cadre intérieur 2. On voit un support cylindrique 10 rattaché au cadre extérieur 1 et comprenant une première partie 11 dont la section est suffisamment importante pour que le stator d'un palier magnétique actif radial 14 puisse être logé à l'intérieur de cette première partie 11 en étant situé en regard et à faible distance d'une armature d'induit 22 montée sur l'arbre 21.Le palier magnétique actif radial 14 peut présenter une structure classique, avec une armature ferromagnétique en matériau feuilleté 22 qui constitue la partie rotorique du palier 14, et des électro-aimants de stator l4a, l4b, par exemple quatre électroaimants montés deux à deux en opposition et comprenant chacun des enroulements l4b disposés autour d'un circuit magnétique feuilleté l4a, pour maintenir le rotor en équilibre sous l'influence des forces électro-magnétiques antagonistes d'attraction créées.Un détecteur de position 15, de type inductif, comprend un stator composé d'un circuit magnétique 15a et d'enroulements 15b et monté à l'intérieur de la première partie 11 du support cylindrique 10, à proximité immédiate du stator l4a, 14b du palier magnétique proprement dit 14. Le détecteur 15 coopère avec 1 'armature rotorique 22 du palier magnétique 14, et détecte les déplacements radiaux de cette armature rotorique 22 par rapport à une position d'équilibre autour de l'axe Y'Y.Les signaux d'erreur délivrés par le détecteur 15 modifient automatiquement, grâce à un système d'asservissement électronique classique qui ne sera pas décrit plus en détail, le courant traversant les enroulements 14b des électro-aimants du palier 14, pour ramener en permanence l'armature rotorique 22 dans une position prédéterminée. Gracie à l'utilisation d'un palier magnétique 14 radial actif, c'est-à-dire asservi par un détecteur 15, 1' arbre 21 peut, quel que soit son degré de pivotement autour de l'axe Y'Y, hêtre supporté par rapport au support 10, et donc au cadre extérieur 1, avec un couple de frottement très faible, très constant et reproductible. Le support cylindrique 10 comprend une seconde partie 12 qui entoure sans contact 1' arbre 21 et présente une section à peine supérieure à celle de l'arbre 24. La seconde partie 12 de section réduite porte sur sa face externe des roulements 16 sur lesquels peut tourner la partie cylindrique 31 d'un élément intermédiaire 30 qui entoure ladite seconde partie de support 12 de section réduite. L'élément intermédiaire 30 peut être entraîné en rotation autour de la partie 12 de section réduite du support 10 à partir d'un moteur électrique classique 13 disposé sur la partie 11 de grande section du support 10. L'arbre de sortie 17 du moteur électrique 13 solidaire du support 10 est parallèle à l'axe principal Y'Y de arbre 21. Le moteur 13 est associé à un réducteur représenté schématiquement par une roue dentée de faible diamètre solidaire de l'arbre de sortie 17 du moteur et coopérant avec une roue dentée 18 de plus grand diamètre solidaire de l'élément intermédiaire 30. L'élément intermédiaire 30 peut ainsi être entraîné en rotation à partir du moteur électrique 13 avec un rapport de réduction de l'ordre de 1/10e par exemple. Le cadre interne 2 auquel est accordé 1' arbre 21 supporte au moins un moteur-couple îoe à action électrodynamique de haute précision dont le stator, fixé au cadre interne 2 comprend une carcasse 101 portant des électro-aimants 102,103 disposés selon un axe 108 perpendiculaire à l'axe principal Y'Y de l'arbre 21 (fiv.3) Une bobine 105 est disposée coaxialement aux électroaimants 102,103 et se trouve dans sa position d' équilibre dans une zone à flux constant des électro-aimants 102,103. Le couple appliqué à la pièce 106 solidaire de la bobine 105 est ainsi proportionnel à l'intensité du courant parcourant la bobine, tant que la bobine 105 reste dans la zone de flux magnétique constant. Le stator 101 du moteur-couple à un étage îoe présente une ouverture 104 dans sa carcasse externe pour permettre le passage de la tige 106 reliant la bobine 105 au rotor intermédiaire 30. Les déplacements de la tige 106 dans une direction parallèle à l'axe 108 du moteur-couple simple îoe produisent un couple de mise en rotation du rotor intermédiaire 30 autour de l'axe principal Y'Y de l'arbre 21, mais sont limités par la largeur de l'ouverture 104 ménagée dans la carcasse du moteur-couple love. Toutefois, un détecteur 107 masure en permanence les déplacements de la tige 106, et donc de la bobine 105, selon une direction parallèle à l'axe 108, par rapport à une position initiale d'équilibre dans laquelle la bobine 105 est bien placée dans une zone de flux magnétique constant. Les signaux délivrés par le détecteur 107 servent à commander le moteur auxiliaire de rattrapage 13 monté sur le support cylindrique 10, afin que ce moteur auxiliaire 13 entraine en rotation par l'intermédiaire du réducteur 18, l'élément intermédiaire 30 par rapport au support cylindrique 10 afin de tendre à ramener la tige 106 et la bobine 105 dans leur position d'équilibre. Grâce à la présence du deuxième étage constitué par le rotor intermédiaire 30 et le moteur auxiliaire 13, l'angle de pivotement d'un élément pivotant, tel que le cadre interne 2 et son arbre 21 solidaires du stator du moteur-couple îoe, par rapport à un autre élément, tel que le cadre externe 1 et le support 10 solidaire du cadre 1, peut être très grand et n'est pas limité par le débattement de la tige 106 dans l'ouverture 104 de la carcasse 101 du moteur-couple îoe. La précision de la commande d'un tel pivotement important reste cependant déterminée par le seul moteur-couple électrodynamique 100 de haute précision qui définit le couple à transmettre, et les défauts éventuels du moteur auxiliaire 13 ne sont pas pris en compte pour la détermination du couple de pivotement du cadre interne 2 par rapport au cadre externe 1. Par ailleurs, le palier magnétique actif 14 contribue, par son très faible couple de frottement, à la réalisation d'une très bonne proportionnalité entre le couple effectivement transmis par l'ensemble du dispositif constituant un moteur-couple à deux étages et l'intensité du courant appliqué au moteur-couple électrodynamique 100. Sur la figure 2, on peut voir l'utilisation d'une paire de moteurs-couple électrodynamiques 100, lOO' à faible déplacement et à axes parallèles, qui correspondent au mode de réalisation de la figure 3 et présentent des bobines mobiles reliées au rotor intermédiaire 30 par des tiges 106, 106' diamétralement opposées dans un plan perpendiculaire à l'axe Y'Y. Les moteurs-couple 100,100' sont alors commandés de la méme manière et, dans le cas où des détecteurs 107 sont associés à chacun des moteurs-couple 100, 100', la commende du moteur auxiliaire 13 tient compte des signaux délivrés par les deux détecteurs 107. On notera cependant que le dispositif de la figure 2 pourrait vitre mis en oeuvre avec un moteur-couple électrodynamique 100 unique. Le ou les moteurs-couple 100, 100' peuvent être protégés par une plaque 20 reliée à l'arbre 21 et comprenant une ouverture 23 pour le passage du rotor intermédiaire 30. Par ailleurs, si la description d'un moteur-couple à deux étages a été effectuée en relation avec l'articulation située au niveau de l'arbre 21 entre le cadre interne 2 et le cadre externe 1, il est évident que ce type de moteur-couple à deux étages peut de la même façon être utilisée au niveau de n'importe lequel des paliers 4,5,6,7,8 ou 9 du dispositif de suspension de la figure 1, comme indiqué plus haut. REVENDICATIONS 1. Moteur-couple à deux étages destiné à communiquer à un second élément (2) par rapport à un premier élément (1), avec un couple prédéterminé, un mouvement de rotation ou de pivotement de grande amplitude autour d'un axe principal (Y'Y), caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble support (10) solidaire dudit premier élément (1) et supportant au moins un palier magnétique actif radial (14) qui coopère avec une armature (22) montée sur un arbre (21) solidaire dudit second élément (2), un élément intermédiaire (30) monté à l'aide de roulements (16) afin de pouvoir tourner autour de l'axe principal (Y'Y) par rapport à l'ensemble support (10), et au moins un moteur-couple à action électrodynamique (île) à faible déplacement comportant un stator (101), fixé sur ledit élément (2) et muni d' électro-aimants (102,103) disposés selon un axe (108) perpendiculaire audit axe principal (Y'Y), et une bobine (105) reliée de façon rigide audit élément intermédiaire (30) et montée coaxialement auxdits électro aimants(102,103), et en ce qu'un moteur électrique additionnel (13) commandé par un détecteur (107) de la position axiale de ladite bobine (105) par rapport audit stator (101) est monté sur l'ensemble support (10) pour entraîner en rotation autour de l'axe principal Y'Y, par l'intermédiaire d'un arbre de sortie (17) et d'un réducteur (18), l'élément intermédiaire (30) afin de tendre à ramener la bobine (105) dans une position initiale de flux constant de l'aimant (102,103) du stator (101). 2. Moteur-couple selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur-couple à action électrodynamique (love) est un élément de haute précision tandis que le moteur électrique additionnel (13) est constitué par un moteur classique de qualité courante. 3. Moteur-couple selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le réducteur (18) coopérant avec 1' arbre de sortie (17) du moteur électrique additionnel (13) assure une réduction de l'ordre du dixième. 4. Moteur-couple selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le palier magnétique actif radial (14) comprend des enroulements (lolo d'électro-aimant montés sur un circuit magnétique feuilleté (14a), et un détecteur inductif (15) de la position radiale de ladite armature (22) par rapport audit circuit magnétique feuilleté (14a), lequel détecteur inductif (15) est disposé dans un plan radial voisin de celui dudit circuit magnétique feuilleté (14a) et délivre des signaux électriques d'erreur qui, par l'intermédiaire de circuits électroniques d'asservissement, modifient le courant traversant lesdits enroulements (14b) d'électro-aimant pour maintenir l'arbre (21) dans une position stable par rapport audit premier élément (1). 5. Moteur-couple selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble-support (10) comprend une première partie (11) de plus grande section supportant sur sa face interne ledit palier magnétique actif radial (14)et sur sa face externe ledit moteur électrique additionnel (13), et une seconde partie (12) de plus faible section portant lesdits roulements (16) de support de l'élément intermédiaire (30). 6. Moteur-couple selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le détecteur (107) de la position axiale de la bobine (105) du moteur-couple à action électrodynamique (loto) comprend un potentiomètre. 7. Moteur-couple selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu' il comprend deux moteurs-couple à action électrodynamique (lOO,lOO') de haute précision coopérant avec un élément intermédiaire (30) unique. 8. Dispositif de suspension d'un élément capable de pivoter de façon prédéterminée selon trois degrés de liberté autour des trois axes rectangulaires (XX',YY',ZZ') d'un repère tridimensionnel, notamment pour table de simulation, comprenant un anneau extérieur (1) monté sur deux paliers (4,5) pour pivoter par rapport à un bâti autour d'un premier axe (ZZ'), un anneau intérieur (2) monté sur deux paliers (6,7) pour pivoter par rapport à l'anneau extérieur (1) autour d'un second axe (YY') perpendiculaire au premier axe (Z'Z') et une plate-forme centrale (3) montée sur deux paliers (8,9) pour pivoter par rapport à l'anneau intérieur (2) autour d'un troisiew'e axe (XX') perpendiculaire aux premier et second axes (YY' et ZZ'), caractérisé en ce qu'au moins l'un des paliers de chacune des paires de paliers de support (4,5;6,7;8w9) selon les premier, second et troisième axes (ZZ',YY',XX') respectivement est constitué par un moteur-couple à deux étages selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.