Brevet FR2595020A1 — publié le 19870828

DISPOSITIF D'EvTRAIT_1T ELPECTOYAnRIIOTF POTATIF DE PRFCISION La présente invention concerne un dispositif d'entraî- nement électromagnétique rotatif de précision, notamment unr dispositif d'entrainement pas-à-pas, pour un rotor. De tels disnositifs d'entraînement électromagnétiques rotatifs de précision sont nécessaires p. ex. pour des roues mesureuses équipées de composants optiques. Les roues mesureuses sont souvent utilisées dans des cryostats sous vide. La roue mesureuse est entraînée par un rotor faisant partie intégrante d'un dispositif d'entraînement élettromagnétique rotati'. Ie rotor peut faire lui-même office de roue mesureuse. De tels dispositifs d'entraînement rotatifs de pré- cision entraînés en pas constants doivent satisfaire à des exi- gences sévères à plusieurs égards. Ainsi, la largeur du pas d'angle doit être reproduc- tible avec précision. Les valeurs traditionnellement attendues se situent en-deçà de 10 Mm en ce qui concerne le rayon externe de la roue mesureuse. La roue mesureuse ainsi que les composants optiques qui y sont fixés ne doivent pas vibrer de façon excessive lors du démarrage ou de l'arrêt du dispositif d'entraînement rotatif. Des vibrations même faibles peuvent conduire à des résultats de mesure faussées ou à des retards temporels inutiles. Si le dispositif d'entraînement de précision du type décrit ci-dessus doit être utilisé à l'intérieur d'un cryostat, il convient de réduire au maximum le nombre de raccords électri- ques nécessaires au fonctionnement du dispositif d'entraînement 1 rotatif. En général, il n'y a que deux fils de raccord; pour un dispositif d'entraînement redondant, il y en a trois. Cette limitation ne permet pas d'utiliser p. ex., dans le cas présent, des dispositifs d'entraînement pas-à-pas polyphasés. Il faut en outre, dans le cas du dispositif d'entraîne- ment rotatif de précision, que la puissance consommée par pas d'angle effectué soit faible; à ce sujet, il convient, pour chaque position réglée et maintenue de la roue mesureuse, qu'aucune puissance de repos ne soit consommée. Par ailleurs, le dispositif d'entrainemert rotatif doit travailler dans une vaste plage de température comprise entre 4 et 300 K, tant sous vide que sous pression atmosphérique. Il faut, à ce sujet, avoir la possibilité de créer un contact thermique destiné 8 la roue mesureuse se trouvant chaque fois - 15 dans une position maintenue, afir de garder constante ou de faire varier de façon déterminée une température souhaitée. la présente invention a pour but de concevoir un dispositif d'entraînement électromagnAtique rotatif de préci- sion facile à réaliser, présentant un fonctionnement simple et satisfaisant sans problème aux exigences citées ci-dessus. Conformément à l'invention, ce but est atteint en ce qu'un dispositif d'entraînement électromagnétique rotatif de précision, notamment dispositif d'entraînement pas-à-pas, pour un rotor, comprend: - une armature formée d'une bande d'armature fermée et disposée dans une zone annulaire plane externe du rotor suivant un motif périodique dans le sens de rotation, ce motif étant, à l'inté- rieur de chaque période, descendant à partir d'un bord radial externe de la zone annulaire vers le bord radial interne corres- pondant, puis remontant vers le bord externe. - un porte-aimant pour au moins u' aimant permanent qui fait partie d'un circuit magnétique en forme de C chevauchant le bord du rotor et comportant un entrefer recevant la bande d'armature. - un dispositif d'entraînement pour déplacer en va-et-vient le porteaimant selon une direction essentiellement radiale par 1 rapport au rotor et avec au moins une amplitude correspondant à la largeur de la bande d'armature. En vue de la rotation du rotor, on utilise pour le dispositif d'entraînement rotatif conforme à l'invention, l'in- teraction entre une bande d'armature à motif périodique disposée sur le rotor et, soit un aimant permanent animé d'un mouvement de va-et-vient essentiellement radial, soit un dispositif d'aimant permanent. La résonance du motif périodique de la bande d'armature et du mouvement de va-et-vient du porte-aimant 1 pour l'aimant permanent permet une rotation précise du rotor ainsi qu'un arrêt précis dans une position d'angle fixe;sans vibrations. le motif périodique de la bande d'armature est ici compos de préférence, à l'intérieur de chaque période, de deuy droites se raccordant l'une à l'autre. Pour chaque position d'arrêt du rotor, il est en outre possible de prévoir un accou- plement magnétique supplémentaire au moyen d'une armature d'arrêt, dissociée de la bande d'armature, entre cette dernière et l'aimant permanent fixé sur le porte-aimant. Comme le rotor, dans le cas d'une bande d'armature régulière, peut tourner dans les deux sens à partir de la po- sitiorn d'arrêt, il convient de prévoir un dispositif pour un sens préférentiel. Ce sens préférentiel peut être obtenu au moyen d'un accouplement magnétique dépendant de la position entre la bande d'armature et l'aimant permanent. A ce sujet, il existe plusieurs possibilités dont, p. ex.: une modification de l'accouplement magnétique par un entrefer dépendant de la position, c.à.d. essentiellement par une épaisseur variable de la bande d'armature, ou une modification de l'accouplement magnétique par une surface active magnétique dépendant de la position, c. à.d. par une largeur variable de la bande d'arma- ture. Cette dernière solution est la plus simple à réaliser industriellement. Selon un type de réalisation préféré, le porte-aimant est disposé à une extrémité d'un bras d'un levier bidirection- nel pivotant autour d'un axe dans le plan du rotor. A l'autre bras de levier est prévu un dispositif d'entrainement, de pré- férence électrique, pour déplacer en va-et-vient le porte-aimant. Ce levier à deux bras peut en outre être complété par un bras de levier supplémentaire présentant à son extrémité un dispo- sitif d'arrêt mécanique pour le rotor, p. ex. une sphère s'en- gageant dans une encoche du pourtour du rotor à chaque position de repos. Cette configuration est particulièrement exempte de vibrations et permet une très grande précision de position. Le dispositif d'entraînement conforme à la présente invention est par ailleurs caractérisé en ce que: - le motif périodique de la bande d'armature se compose, pour chaque période, de deux droites se raccordant l'une à l'autre; - la largeur de la bande d'armature, aux points de rebrousse- ment du motif périodique, change aux deux bords de la partie annulaire dans la direction d'entraînement, toujours dans le même sens préférentiel; - l'épaisseur de la bande d'armature, aux points de rebrousse- ment du motif périodioue, change aux deux bords de la zone annulaire dans la direction d'entraînement, toujours dans le même sens préférentiel; - le porte-aimant est placé à une extrémité d'un bras d'entrai- nement pivotant autour d'un axe sous l'action d'un dispositif d'entrainement de levier; - un bras d'arrêt pivotant éga]ement autour de l'axe est relié au bras d'entrainement, ce bras d'arrêt présentant à son ex- trémité libre ur dispositif d'arrêt mécanique pour le rotor; - le rotor est équipé à son pourtour d'encoches dans lesquelles s'engage le dispositif d'arrêt mécanique situé à l'extrémité du bras d'arrêt; - à chaque extrémité du porte-aimant en C est fixé un aimant permanent avec pièce polaire. Deux exemples de réalisation de l'invention. sornt illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue de dessus schématique d'un dispositif d'entraînement rotatif de précision conforme à 5. 1 l'invention, comportant un rotor, une bande d'ar- mature disposée sur ce rotor, ainsi qu'ur porte- aimant pour un dispositif à aimant permanent actionné par un dispositif d'entraînement de levier; - la Fig. 2 est une coupe transversale partielle du rotor dans la zone du porte-aimant; - la'Fig. 3 est une vue partielle du rotor et du porte-aimant dans diverses positions; - la Fig. 4 est une vue partielle d'un rotor avec une bande d'armature modifiée. la Fig. 1 représente un rotor 1 d'un dispositif d'en- trainement rotatif de précision pouvant tourner autour d'un axe 2 selon des pas d'angle fixes, chacun ayant l'angle de rotationS. Le rotor i sert de roue mesureuse et comporte divers éléments optiques; un élément optique - dans le cas présent, un miroir 3 - est représenté sur la Fig. 2. Le long du pourtour du rotor 1 court une bande d'ar- mature 5 dans une zone annulaire 4 suivant un motif périodique triangulaire. Chaque droite de la bande d'armature de ce motif triangulaire va chaque fois d'un bord interne 6 vers un bord externe, de la zone annulaire 4. Chaque triangle de la bande d'armature 5 se trouve dans un secteur de cercle d'angle de rotation o. La bande d'armature 5 est en fer doux et le rotor 1, en matériau non magnétique. Un bras d'entraînement 8 pivotant autour d'un axe est prévu pour le dispositif d'entraînement du rotor 1. De l'autre côté de l'axe, un bras de levier 10 entraîné, accouplé à u dispositif d'entraînement 11, est relié au bras d'en- trainemert. Ce dispositif d'entraînement 11, p. ex. un dispo- sitif d'entraînement électromagnétique bipolaire, permet le mouvement de va-et-vient périodique du bras d'entraînement 8. A l'extrémité du bras d'entraînement 8 est prévu un porte-aimant 12 en forme de C en matériau à conductibilité magnétique sur lequel est monté, à chaque extrémité du C, un aimant permanent 13 ou 14 s'étendant à l'intérieur du C. Le porte-aimant en C forme le circuit magnétique entre le pôle sud de l'aimant permanent 13 et le pôle nord de l'aimant permanent 14. Des pièces polaires 15 et 16 en forme de cône tronqué se faisant face sont reliées respectivement aux aimants permanents 13 et 14. Le rotor 1 tourne dans l'entrefer 17 entre les pièces polaires 15 et 16, la bande d'armature 5 se trouvant ainsi chaque fois exactement entre les pièces polaires 15 et 16. Dans chaque zone des pointes les plus externes du motif trian- gulaire de la bande d'armature s, armatures d'arrêt 19 en fer doux à celle des pièces polaires 15 el du rotor 1 représentée sur la Fii et 16 se trouvent juste au-dessuE 18. Simultanément, le rotor 1 est cette position de repos. Ceci est lq relié au bras d'entrainement8 l'axe 9. A l'extrémité de ce braE sont également placées des dont la section correspond t l. Dans la position de repos 1, les pièces polaires 15 s d'une telle armature d'arrêt t arrêté mécaniquement dans t réalisé avec un bras d'arrêt et pivotant également autour de s d'arrêt 19 est morté ur cy- lindre d'arrêt 20 qui s'encage dans l'une des encoches 21 du pourtour du rotor 1 et permet, au moyen du contact mécanique bras d'arrêt/rotor, une position précise du rotor 1. Les enco- ches 21 sont disposées sur tout le pourtour du rotor selon des intervalles réguliers correspondant aux pas de rotation avec l'angle de rotation. C'est pourquoi, dans la position de reroL représentée sur la Fig. 1, les pièces polaires 15 et 16 se trouvent direc- tement au-dessus d'une armature d'arrêt 18; le cylindre d'arrêt est engagé dans une encoche. Pour exécuter un pas de rotation, le dispositif d'en- trainement 11 est mis en marche, si bien que le levier actionné est, tel que représenté sur la Fig. 1, déplacé vers la gauche. Les pièces polaires 15 et 16 se déplacent ainsi de façon essen- tiellement radiale vers la pointe, située au bord supérieur 7 de la zone annulaire 4, du motif oériodique de la bande d'ar- mature. Simultanément, le cylindre d'arrêt 20 se dégage de 2O l'encoche 21 et libère ainsi le rotor. Lorsque les pièces po- laires se trouvent juste sur la bande d'armature 5, cette der- nière est attirée. Lors du mouvement régulier suivant du bras d'entraînement 8 radialement vers l'intérieur, la bande d'ar- mature est toujours attirée au centre des deux pièces polaires et 16. Par l'intermédiaire de l'angle de la bande d'armature entre l'axe axial et tangentiel du rotor, une force agit sur la bande d'armature et, par suite, sur le rotor, avec une composante tangentielle permettant la rotation du rotor 1. L'amnlitude du mouvement du bras d'entraînement 8 est dimentionnée de façon à ce que les pièces molaires 15 et 16 se trouvent, aux points de rebroussement du bras d'entrai- nement, juste au-dessus du point de la bande d'armature 5 situé sur le bord interne 6 de la zone annulaire 4. P ce moment, l'an-le ee rotation est t/?. Après le changement de sens du dispositif d'entrainement 11, le bras d'entrainement 8 se dé- place, à partir de ce moment, radialement vers l'extérieur, entraînant ainsi la bande d'armature 5 au moyen de 1'accouple- ment ma-nétique et, par suite, ltensemble du rotor 1. lorsque les pièces polaires 15 et 16 se trouvent juste sur le point de la bande d'armature situé sur le bord externe 7 de la zone annulaire 4, le cylindre d'arrêt 20 se trouve juste au-dessus de l'encoche 21 suivante et, lors du déplacement suivant Ru dispositif d'entraînement 11, il est poussé dans cette encoche 21. A ce moment, les pièces polaires et 16 se trouvent Ce nouveau juste er face d'une armature d'arrêt. Le rotor 1 a alors effectué un pas de rotation com- plet. Il est arrêté mécaniquement et magnétiquement. Trois positions du bras d'entraînement et du bras d'arrêt sont représentées sur la Fis. 3. En position I, le rotor est ar- rêté marnétiquement et mécaniquement. En position In, repré- sentée par des traits interrompus, les pièces polaires 15, 1l se trouvent juste à une pointe externe de la bande d'armature ; le rotor est mécaniquement débloqué. En position III, re- présentée en traits et points, les pièces polaires sont juste au-dessus d'une pointe interne de la bande d'armature tracée en traits et points; entre la position II et IIT, le rotor a été entraîné d'un demi-pas de rotation. Il est étalement possible d'entraîner le rotor 1 en continu au moyen d'ur multiple de l'angle de rotation. Dans ce cas, le bras d'entraînement est déplacé en un va-et-vient périodique tel que ses pièces polaires 15 et 16 se déplacent entre le bord interne et externe 6 et 7 de la zone annulaire 4. C'est seulement Dour arrêter le rotor 1 que le bras d'en- trainement 8 est déplacé radialement de telle façon vers l'extérieur que les pièces polaires 1, 16 dépassent le-bord externe ? de la zone annulaire 4 et viennent s'immobiliser juste en face d'une armature d'arrêt 18. Durant l'ensemble de l'état du dispositif d'entrainement sur un ou plusieurs pas de rotation, le cylindre d'arrêt 20 ne touche jamais le pour- tour du rotor 1. A chaque point de rebroussement de la bande d'arma- ture 5. l'intérieur du motif nériodique, le rotor t vourrait er. principe tourner dans les deux sens, en faisant abstraction des mouvements d'inertie. Il n'est en particulier pas possi- ble de prévôir, lors du démarrage du mouvement de rotatior, si le rotor va tourner à gauche ou à droite. Pour déterminer un sens, c.à.d. pour avancer dans un sens préférentiel, on rend l'accouplemert magnétique entre la bande d'armature 5 et les nices polaires 15, 'a dépendant de la position. Pour ce faire, la largeur de la bande d'armature 5 dans le plan du rotor est modifiée, conformément e la Fig. 3. La bande d'ar- mature 5 est comnosée de branches individuelles droites, quoiqu'en forme de cales, dont la largeur diminue en sens contraire du sens de rotation. Les branches individuelles de la bande d'armature s'étendent, chacune, entre le bord inter- ne et externe 6 et 7 de la zone annulaire X et sont raccordées l'une à l'autre de façon à ce que chaque extrémité mince d'une branche en forme de cale soit reliée à l'extrémité épaisse de la branche suivante. Par suite de la modification, rendue à 1 cet effet nécessaire, de l'accouplement magnétique entre la bande d'armature et le porte-aimant 12, -l'ensemble du rotor tourne, tel que représenté sur la -ig. 3, vers la gauche. Le déroulement temporel du mouvement de rotation du rotor 1 peut être influencé de diverses façons, par-ex. par l'optimisation du profil du courant et de l'amortissement électronique du dispositif d'entraînement 11 du bras d'entrai- nement F. Une autre possibilité, supplémentaire le cas échéa-t, consiste à modifier le tracé de la bande d'armature. La Fig. 4 représente un tracé 5' en forme d'arc brisé pour la bande d'armature. Pour-ce type de réalisation, 'a 'largeur de la bande d'armature'5' est également modifiée suivant le sens de rotation, afin d'obtenir ur sens préférentiel]ors du mou- vément de rotation du rotor. eV REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entraînement électromagnétique rotatif de précision, notamment dispositif d'entraînement pas-à-pas, pour un rotor, caractérisé en ce qu'il comprend: - une armature formée d'une bande d'armature (5) fermée et dispo- sée dans une zone annulaire (4) plane externe du rotor (1) sui- vant un motif périodique dans le sens de rotation, ce motif étant, à l'intérieur de chaque période, descendant à partir d'un bord radial externe (7) de la zone annulaire (4) vers le bord radial interne (6) correspondant, puis remontant vers le bord externe (7). - un porte-aimant (12) pour au moins un aimant permanent (13, 14) qui fait partie d'un circuit magnétique.(12, 13, 15, 16, 14) en forme de C chevauchant le bord du rotor (1) et comportant un en- trefer (17) recevant la bande d'armature (5). - un dispositif d'entraînement (11) pour déplacer en va-et-vient le porteaimant selon une direction essentiellement radiale par rapport au rotor et avec au moins une amplitude correspondant à la largeur de la bande d'armature. 2. Dispositif d'entraînement rotatif selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le motif périodique de la bande d'armature (5) se comnose, pour chaque période, de deux droites se raccordant l'une à l'autre. 3. Dispositif d'entraînement rotatif selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur de la bande d'ar- mature, aux points de rebroussement du motif périodique, change aux deux bords (6, 7) de la partie annulaire (4) dans la direc- tion d'entraînement, toujours dans le même sens préférentiel. 4. Dispositif d'entraînement rotatif selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la bande d'armature (5), aux points de rebroussement du motif pério-ique, change aux deux bords (6, 7) de la zone annulaire (4) dans la di- rection d'entraînement, toujours dans le même sens préférentiel. 5. Dispositif d'entraînement rotatif selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 11il 1 porte-aimant (12) est placé à une extrémité d'un bras d'entrai- nement (8) pivotant autour d'un axe (9) sous l'action d'un dis- positif d'entraînement de levier (11). 6. Dispositif d'entraînement rotatif selon la revendi- cation 5, caractérisé en ce qu'un bras d'arrêt (19) pivotant éga- lement autour de l'axe (9) est relié au bras d'entraînement (8), ce bras d'arrêt (19) présentant à son extrémité libre un dispo- sitif d'arrêt mécanique (20) pour le rotor (1). 7. Dispositif d'entraînement rotatif selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que le rotor (1).est équipé à son pourtour d'encoches (21)dans lesquelles s'engage le dispositif d'arrêt mécanique (20) situé à l'extrémité du bras d'arrêt (19). 8. Dispositif d'entraînement rotatif selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à chaque extrémité du porte-aimant (12) en C est fixé un aimant permanent avec pièce polaire (15, 16).