Brevet FR2604833A1 — publié le 19880408

MACHINE TOURNANTE ELECTRIQUE DU TYPE MOTEUR PAS A PAS Cette invention concerne les machines tournantes électriques et, plus particulièrement, les moteurs électriques du type dans lequel le rotor du moteur tourne par petits mouvements discrets ou par pas. Il a été mis au point une catégorie de moteurs pas-à-pas et synchronesà courant alternatif qui présentent des caractéristiques de démarrage extrêmement rapide et ont un haut rendement. Appartiennent à cette catégorie les moteurs utilisant un rotor à aimant perma- nent possédant plusieurs pôles alternant et des stators annulaires montés côte à côte en tandem avec plusieurs pôles de stator saillants sur leurs périphéries internes. Les enroulements dechacun des stators peuvent être excités indépendamment en déphasage les uns avec les autres, si bien qu'on peut commander le sens de rotation du moteur. Alors que les moteurs de cette catégorie sont satisfaisants à de nombreux égards, ils présentent certains inconvénients. Par exemple, du fait de la disposition en tandem des enroulements d'exci- tation, ces moteurs ne peuvent pas facilement être adaptés à des applications qui nécessitent un moteur présentant un profil très bas, ou une structure en forme de crêpe, comme cela est nécessaire pour les moteurs destinés aux unités de disques d'ordinateurs ou aux fenêtres électriques des automobiles. De plus, puisqu'il existe des limitations structurelles quant à l'épaisseur du rotor magné- tique, il s'ensuit que l'épaisseur et, par conséquent, le poids, l'inertie et le coût du rotor à aimant permanent des moteurs à stator en tandem de la technique antérieure peuvent aller jusqu'au double de ce qui serait magnétiquement nécessaire pour produire le couple total. En outre, ces moteurs présentent un encombrement con- sidérable, ce qui ne les rend pas souhaitables lorsqu'il est besoin d'une structure compacte. C'est donc un but de l'invention de produire un moteur qui possède une structure en forme de crêpe à profil bas, o le rotor magnétique est utilisé efficacement du point du vue magnétique pour produire un couple accru sans augmentation du poids du rotor, la structure étant très compacte et faisant perdre le minimum de place. Les buts ci-dessus énoncés, ainsi que d'autres buts, sont atteints au moyen d'une machine tournante électrique selon l'invention. 26(!483X Dans un mode de réalisation préféré, la machine comporte un rotor magnétique permanent annulaire qui possède des pèles de rotor à polarité alternant autour de sa périphérie. Un stator extérieur est prévu qui comprend une première paire de pièces polaires à configuration annulaire qui sont en opposition l'une vis-à-vis de l'autre afin de laisser entre elles un espace annulaire, chaque pièce de la première paire de pièces polaires étant disposée autour de la périphérie extérieure durotor. Chaque pièce polaire de la première paire comporte, sur sa périphérie interne, des pôles de stator saillants axialement orientés qui sont mutuellement sépa- rés et qui sont en relation de flux magnétique avec les pèles de rotor, les pôles de stator des pièces polaires respectives étant en entrelacement mutuel. Un statorintérieur est prévu qui comprend une deuxième paire de pièces polaires à configuration annulaire qui sont en opposition mutuelle afin de laisser entre elles un espace annulaire, chaque pièce de la deuxième paire de pièces polaires étant disposée à l'intérieur de la périphérie intérieure du rotor. Chaque pièce polaire de la deuxième paire comporte, sur sa péri- phérie extérieure, despèles destator saillants axiaLement orientés qui sont écartés les uns des autres et sont en relation de flux magnétique avec les pèles de rotor, les pèles de stator des pièces polaires respectives étant en entrelacement mutuel. Des premiers moyens d'excitation annulaires sont prévus qui entourent la péri- phérie extérieure du rotor et sont disposés sensiblement entièrement à l'intérieur de l'espace annulaire formée entre la première paire de pièces polaires de stator afin de produire un champ magnétique dans les pôles de stator saillants de la première paire. Un deuxième moyen d'excitation annulaire est prévu à l'intérieur de la périphérie interne du rotor et est disposé sensiblement entièrement à l'inté- rieur de l'espace annulaire formé entre la deuxième paire de pièces polaires de stator afin de produire un champ magnétique dans les pôles de stator saillants de la deuxième paire.Ilestprévu un moyen per- mettant d'exciter séquentiellement lesdits premier et deuxième moyens d'excitation afin de produire respectivement le champ magnétique correspondant, lesdits champs étant mutuellement en déphasage. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses carac- téristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmis lesquels: - la figure 1 est une vue de face en perspective d'un moteur pas-à-pas selon un mode de réalisation donné à titre d'exemple de l'invention; - la figure 2 est une vueen coupe du moteur suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan de l'une des paires de pièces polaires annulaires en forme de cuvettes du stator exté- rieur; - la figure 4 est une vue en élévation de la pièce polaire de stator en forme de cuvette de la figure 3; - la figure 4A est une vue en coupe prise suivant la ligne 4A-4A de la figure 2, montrant l'entrelacement des pôles de stator des pièces polaires des figures 3 et 4, après assemblage en paire formant le stator extérieur; - la figure 5 est une vue en plan de l'une des pièces de la paire de pièces polaires en forme de cuvettes annulaires du stator intérieur; - la figure 6 est une vue en élévation de la pièce polaire de stator en forme de cuvette de la figure 5; et - la figure 7 est une vue en plan du rotor à aimant perma- nent non saillant. On se reporte maintenant aux dessins de façon détaillée et, pour commencer, aux figures 1, 2 et 7, o est représenté un moteur électrique 10 conçu selon un mode de réalisation préféré de l'in- vention. Dans ce mode de réalisation préféré, le moteur 10 possède un rotor à aimant permanent annulaire 45 qui possède un premier ensemble de pôles de rotor non saillants 40 dont les polarités alternent autour de sa périphérie extérieure et un deuxième ensemble correspondant de pôles de rotor non saillants 55, de polarités opposées, entourant sa périphérie intérieure, les pôles de rotor 40 du premier ensemble étant chacun radialement alignés avec un pôle de rotor 55 de polarité opposée du deuxième ensemble. Les pôLes de rotor non saillants sont préférés, car cela permet de réduire le coût de ces rotors par rapport à des pôles de rotor saillants ou à des aimants permanents distincts montés dans un support non magnétique annulaire. Toutefois, il est également possible d'uti- liser un rotor annulaire possédant des pôles de rotor saiLLants ou des aimants permanents distincts montés dans un support non magnétique annulaire. Dans le mode de réalisation préféré présenté sur la figure 7, Le rotor à aimant permanent possède vingt-quatre pôles nord non saillants et vingtquatre pôles sud non saiLLants alternant autour de sa périphérie extérieure, pour un total de quarante-huit pôles, et des nombres équivalentsdepôles nord et sud autour de sa péri- phérie intérieure. Les pôles radialement alignés des périphéries intérieure et extérieure du rotor sont de préférence de polarités opposées. Bien que ceci soit préféré, il n'est pas nécessaire que les pôles radialement alignés des périphéries intérieure et exté- rieure du rotor soient de polarités opposées, puisqu'un rotor conçu de façon que ses pôles radialement alignés soient de pola- rités identiques fonctionne également selon l'invention. Toutefois, si l'on utilise des pôles de rotor radialement alignés de mêmes polarités, il faut naturellement que les stators intérieur et exté- rieur soient décalés angulairement de façon que leurs pôles se trouvent en alignement approprié avec les pôles du rotor. En tout cas, le nombre total des pôles de rotor peut naturellement être égal à tout nombre pair. Le rotor est porté par un volant65 comprenant un moyeu 70, des rayons ou nervures 75, et une bague de rotor extérieure 80. Au lieu des rayons et du moyeu représentés, on peut naturellement utiliser à leur place un volantplein, et ceci est en réalité pré- féré en raison du coût réduit et de la facilité de fabrication que cela entraîne. Le rotor est doté, sur sa face antérieure, d'une fente annulaire 60 qui est destinée à recevoir la bague de rotor 80. La bague de rotor est de préférence faite en un matériau non Z604833 magnétique Léger, par exemple de l'aluminium, de manière à minimiser le poids et les fuites de flux magnétique et elle peut être montée sur le rotor par ajustement à force, à l'aide de colles ou par cael- qu'autre mWen convenable. Le r8ledela bague de rotor 80 et de la fente S concomitante 60 est de constituer une liaison peu coûteuse et sûre du volant 65 sur le rotor 45. Ainsi, on peut naturellement omettre la bague de rotor 80 si l'on fixe directement le volant sur le rotor 45 par un autre moyen, par exemple à l'aide de vis ou de colle. Le moyeu 70 du volant65 est lié à l'arbre d'entraînement 85, qui est fait en un matériau résistant, par exemple de l'acier inoxy- dable. L'arbre 80 est monté par un roulement à billes 90 fixé dans un palier 95 de manière à permettre la rotation. Le palier est lui- même fixé à une plaque de base 100 par tout moyen approprié, par exemDle soudage ou boulonnage. Le moteur 10 possède un stator extérieur 15 de configuration annulaire disposé de manière sensiblement concentrique autour de la périphérie extérieure du rotor 45. Le stator extérieur 15 com- prend une paire de pièces polaires 20 et 20' en forme de cuvettes. Les pièces polaires 20 et 20' sont ajustées ensemble face à face de manière à former entre elles un espace annulaire destiné à rece- voir un moyen d'excitation qui comprend une bobine de fil 50 enroulée annulairement. Cette bobine de fil 50 est disposée sensiblement tout entière à l'intérieur de l'espace annulaire, comme représenté en section droite sur la figure 2. De préférence, les pièces polaires 20 et 20' sont identiques, ce qui permet d'obtenir des économies de fabrication et de gestion des pièces détachées. Les pièces polaires 20 et 20' sont identiques dans ce mode de réalisation préféré. On se reporte maintenant aux figures 3 et 4 qui décrivent la structure de la pièce polaire 20 du stator extérieur de manière plus détaillée. Puisque, dans le mode de réalisation préféré, les pièces polaires 20 et 20' sont identiques, il n'est montré sur ces figures que la seule pièce polaire 20. Sur sa périphérie intérieure, la pièce polaire 20 comporte plusieurs p8les saillants écartés les uns des autres 35, de préfé- rence en biseau, qui, dans le cas d'un rotor possédant vingt-quatre l604833 p6les nord et vingt-quatre pâles sud sur sa périphérie extérieure, sont de préférence au nombre de vingt-quatre. Entre pôles de stator adjacents, se trouvent des creux 37 ayant une géométrie identique à celle des pôles, mais légèrement plus Large et plus profonde que des pales, de façon que, lorsque les pièces polaires appariées sont ajustées ensemble, les pales d'une pièce polaire étant en entrela- cement avec celles de la pièce polaire correspondante, les pôles en position d'entrelacement ne se touchent pas entre eux. Ainsi, le flux magnétique des pôles saillants 35 du stator extérieur (et des pâles saillants 35' de la pièce polaire 20') est en interaction avec les pôles 40 du rotor 45. L'entrelacement des pâles des pièces polaires de stator 20 et 20' est représenté sur la figure 4A. Pour maintenir les pales entrelacés 35 et 35' en alignement mutuel approprié, la pièce polaire 20 possède des dents 25 et des fentes 27 d'ajustement alternant autour de sa périphérie extérieure. Ces dents et fentes d'ajustement mutuel sont de préférence découpées en carrés de même hauteur etde même largeur afin de faciliter la fabrication et le montage et de façon que des pièces polaires iden- tiques s'ajustent ensemble, la dent dans la fente, lorsque les pièces polaires 35 et 35' sont convenablement entrelacées. Les dents 25 et les fentes 27 engrènent depréférence les unes avec les autres de la manière la plus serrée possiblede façon qu'il soit établi un circuit magnétique fermé autour de la périphérie extérieure du stator, avec un minimum de fuites de flux au passage des joints entre les dents. Les pièces polaires 20 pourraient être formées en un matériau magnétiquement doux, par exemple un acier laminé à froid désigné par la norme des Etats-Unis d'Amérique ASTM 1008. Pour assurer un positionnement approprié de la pièce polaire sur la plaque de base 100, deux trous de repérage 30 se trouvant de part et d'autre de l'axe de symétrie de la pièce polaire 20 sont prévus. Les trous de repérage 30 sont disposés à quatre-vint-dix degrés électriques vis-à-vis de l'axe de symétrie de l'un des pâles. Ainsi, lorsque l'on ajuste ensemble les pièces polaires identiques de façon que les trous 30 soient alignés entre eux, les dents d'ajustement extérieures 25 et 25' et les fentes correspondantes 27 et 27' s'ajustent 604833 convenablement tandis que les p6les 35 et 35' et les creux 37 et 37' se trouvant sur la périphérie intérieure s'entrelacent de manière appropriée. Pour minimiser la hauteur de profil du moteur, l'épais- seur axiale du stator 15, dans lequel Les pièces polaires 20 et S 20' sont ajustées ensemble, est de préférence inférieure à l'épais- seur axiale du rotor 45. On se reporte maintenant aux figures 1, 2, 5 et 6, o la structure du stator intérieur 115 va être décrite. Le stator inté- rieur 115 est dans son ensemble identique au stator extérieur 15 en ce qui concerne sa structure et sa fonction, sauf que les pôles et les creux 127 se trouvent sur sa périphérie extérieure, tandis que les dents 135 et les fentes 137 d'ajustement se trouvent sur sa périphérie intérieure. En outre, le stator intérieur 115 est égale- ment disposé de manière sensiblement concentrique par rapport au rotor 45, mais, sur la périphérie intérieure du rotor 45, entre le palier 95 et le rotor 45. Comme le stator extérieur 15, le stator intérieur 115 comprend une paire de pièces polaires 120 et 120', de préférence identiques,qui possèdent des p8les saillants 125 entre- lacés et des dents d'ajustement 135 découpées de préférence en carré. Le nombre des pales de chaque pièce polaire intérieure (120 et 120') est de préférence identique à celui des pales de chaque pièce polaire extérieure. Chaque pièce polaire 120 et 120' possède des trous de repérage 130 de part et d'autre de l'axe de symétrie de la pièce polaire. Les pâles des pièces polaires correspondantes s'entrelacent de la même manière que les pales des pièces polaires du stator extérieur (c'est-à-dire comme représenté sur la figure 4A), et le matériau de construction préféré est le même. Pour minimiser la hauteur de profil du moteur, l'épaisseur axiale du stator inté- rieur 115 est également de préférence inférieur à l'épaisseur axiale du rotor 45. Le stator intérieur 115 est monté sur la plaque de base par tout moyen approprié, par exemple soudage ou boulonnage, de façon que ses pâles soient de préférence décalés de quatre-vingt-dix degrés électriques par rapport aux pale correspondants du stator extérieur 15. Comme on peut le voir sur la figure 2, le stator intérieur 115 occupe virtuellement toute la place existant entre la périphérie intérieure du rotor 45 et le palier 95, ce qui donne une structure très compacte et fait perdre le minimum absolu de place. Puisque le rotor 45 est flanqué sur ses périphérie intérieure et extérieure par les stators, au lieu que ce soit seulement sur sa périphérie extérieure comme dans une configuration à stators en tandem, il apparaît que le moteur voit augmenter son couple de sortie pour un rotor du même poids, par comparaison avec les moteurs ayant la configuration en tandem. Comme représenté en section droite sur la figure 2, le moyen d'excitation comprend une bobine enroulée annulairement 150, laquelle est disposée sensiblement tout entière à l'intérieur de l'espace annulaire formé entre la paire intérieure de pièces polaires de stator 120 et 120' constituant le stator intérieur 115. En fonctionnement, les bobines sont excitées chacune séquen- tiellement, de préférence par des sources distinctes de courant électrique, les courants étant déphasés de quatre-vingt-dix degrés électriques l'un par rapport à l'autre, si bien que l'angle d'avan- cement pas-à-pas sera uniforme et qu'il est possible de commander le sens de rotation du rotor. Pour le reste, si ni Le stator inté- rieur ni le stator extérieur ne sont excités, le rotor atteindra une position intermédiaire stable. Lorsque par exemple, la bobine extérieure est excitée par un courant dans le sens horaire (si l'on regarde l'extrémité antérieure du moteur), les p8les de stator saillants du stator extérieur s'aimanteront alternativement au nord et au sud, et le rotor avancera d'un pas de 3,75 degrés (360 degrés divisés par 2N, o 2 est le nombre des phases électri- ques et N est le nombre des p8les du rotor, soit quarante-huit pour le moteur 10 représenté sur les figures), en s'alignant magnétiquement avec les pôles de stator saillants 35 et 35' du stator extérieur 15. Lorsque le rotor a avancé de 90 degrés élec- triques, l'excitation en sens horaire de la bobine de stator inté- rieure commence, ce qui fait avancer le moteur d'un pas supplémen- taire de 3,75 degrés. On peut ensuite inverser le sens du courant passant dans la bobine du stator extérieur, ce qui fera avancer le moteur du pas suivant, et ainsi de suite. Si on désire un angle d'avance pas-a-pas plus petit pour un rotor qui possède un nombre particulier de p6les, on peut utiliser un plus grand nombre de phases du courant d'excitation (et par conséquent plus de stators). Ainsi, si l'on utilise un courant triphasé, le courant devra avoir un déphasage de 60 degrés élec- triques, et l'angle d'avance pas-àpas sera donné par le résultat de la division de 360 degrés par 3N,o N estle nombre de pôles du rotor. Lorsqu'on peut construire un moteur par adjonction d'un troisième stator en tandem avec l'un ou l'autre des stators inté- rieur et extérieur, ce qui entraîne une augmentation de l'épaisseur axiale du rotor pour permettre le logement du stator en tandem, ou bien une réalisation des stators en tandem à des dimensions axiale plus mince et radiale plus épaisse. On peut également cons- truire un moteur triphasé en ajoutant un autre rotor extérieur concentriquement au rotor intérieur, entourant l'extérieur du stator extérieur, et en ajoutant un troisième stator concentri- quement autour de ce rotor extérieur. On peut traiter de la même manière quatre phases électriques, ou un nombre quelconque de phases électriques. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du moteur dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. ú604833 REVENDICATIONS 1. Machine tournante électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison: un rotor à aimant permanent annulaire (45) possédant des pôles (40, 55) de rotor dont La polarité alterne autour de sa circonférence; un stator extérieur (15) comprenant une première paire de pièces polaires (20, 20') à configuration annulaire disposées en regard l'une de l'autre afin de former entre elles un espace annu- laire, les pièces polaires de ladite première paire de pièces polaires étant chacune disposées autour de la périphérie extérieure dudit rotor, chaque dite pièce polaire de ladite première paire compor- tant, sur sa périphérie intérieure, des pôles de stator saillants axialement orientés écartés les uns des autres (35, 35') qui sont en relation de flux magnétique avec les pâles de rotor, tandis que les pôles de stator des pièces polaires respectives sont en entre- lacement mutuel; un stator intérieur (115) comprenant une deuxième paire de pièces polaires (120, 120') à configuration annulaire disposées en regard l'une de l'autre afin de former entre elles un espace annulaire, les pièces polaires de ladite deuxième paire de pièces polaires étant chacune disposées à l'intérieur de la périphérie intérieure dudit rotor, chaque dite pièce polaire de ladite deuxième paire comportant, sur sa périphérie extérieure, des pôles de stator saillants axialement orientés écartés les uns des autres (125) qui sont en relation de flux magnétique avec les pôles de rotor, tandis que les pâles de stator des pièces polaires respectives sont en entrelacement mutuel; un premier moyen d'excitation annulaire (50) entourant la périphérie extérieure du rotor et disposé sensiblement dans son ensemble à l'intérieur de L'espace annulaire formé entre la première paire de pièces polaires de stator afin de produire un champ magné- tique dans les pôles de stator saillants de ladite première paire; un deuxième moyen d'excitation (150) disposé à l'intérieur de la périphérie intérieure du rotor et sensiblement dans son ensemble ú604833 à L'intérieur de L'espace annuLaire formé entre La deuxième paire de pièces polaires de stator afin de produire un champ magnétique dans les pôles de stator saillants de Ladite deuxième paire; et un moyen servant à exciter séquentiellement Lesdits premier et deuxième moyens d'excitation afin de produire respectivement le champ magnétique correspondant, lesdits champs étant en déphasage l'un avec l'autre. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le stator extérieur (15), les pièces polaires (20,20') de ladite pre- mière paire sont chacune disposées de manière concentrique autour de la périphérie extérieure du rotor, tandis que, dans le stator intérieur (115) , les pièces polaires (120,120') de ladite deuxième paire le sont autour de sa périphérie intérieure. 3. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le rotor, les pâles de rotor à polarités alternant autour de sa circonférence sont constitués par un premier ensemble de p8les de rotor (40) à polarités alternant autour de la périphérie extérieure du rotor et par un deuxième ensemble de pôles de rotor (55) de polarités opposées, disposés autour de sa périphérie inté- rieure, chacun des pôles de rotor du premier ensemble étant radia- lement alignés avec un pâle de rotor de polarité opposée du deuxième ensemble, en ce que, dans le stator extérieur, les pôLes de stator sont en relation de flux avec le premier ensemble de pâles de rotor, et en ce que, dans le stator intérieur, les pôles de stator sont en relation de flux avec le deuxième ensemble de pôles de rotor. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans le rotor, les pôles de rotor du deuxième ensemble (55) sont non saillants. 5. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans le stator extérieur (15), 1es pièces polaires de la première paire ont une configuration en cuvette, de même que, dans le stator inté- rieur, les pièces polaires de la deuxième paire. 6. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans le rotor, les pôles du premier ensemble et ceux du deuxième ensemble sont non saillants. 7. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans le stator extérieur, les pièces polaires de la première paire ont chacune une dimension axiale qui n'est pas supérieure à celle du rotor, de même que, dans le stator intérieur, les-pièces polaires de la deuxième paire.