Brevet FR2625627A1 — publié le 19890707

La présente invention est du domaine des machines électriques tournantes et plus particuliè- rement des moteurs électriques du type dans lequel le rotor du moteur tourne par incrémentatlon, ou par étapes discontinues, et elle a également pour objet un procédé de fabrication de tels moteurs. L'invention a plus spécialement pour objet à un moteur "pas à pas" utilisant un rotor ayant de préférence un diamètre d'au moins 60% le diamètre du moteur, de façon à procurer un couple substantiellement plus important que les moteurs conventionnels de taille équivalente. L'utilisation d'une pluralité de bobines de champ avec un rotor à un seul pôle non saillant dans un moteur pas à pas est connu de l'état de la technique et a été décrit dans des multiplications antérieures tels que les brevets US-4241270 et US-4274026. Pour éviter le déplacement radial du stator dans -le moteur, les pièces polaires du stator ont, conformément à ce qui précède, été entaillées de telle sorte que les pièces polaires du stator adjacentes peuvent être imbriquées en force. Des moteurs représentatifs de ce type sont décrits par exemple dans les brevets US-4333026 et US-3495113. Ces références de l'art antérieur, cependant ne décrivent en aucun cas des ensembles de phase de stator individuels, ou cages de stator, comportant une pluralité de pièces polaires et de bagues de champs entaillées qui soient imbriquées ensemble. Ainsl il serait avantageux de relier plus de deux cages, chaque cage étant affectée à une phase différente de telle sorte que le moteur puisse fonctionner avec plus de deux phases. En outre, il est souhaitable de proposer un assemblage de moteur pas à pas dans lequel les mêmes parties puissent être utilisées pour servir à plus de deux phases et par conséquent réduire le coût d'outillage. Le moteur pas à pas de la pré- sente invention comprend aussi, dans une forme préférée de réali- sation, un rotor ayant un diamètre qui soit approximativement égal à au moins 55% du diamètre du moteur et procure ainsi un couple substantiellement plus grand que les moteurs convention- nels de tailles équivalentes. La présente invention se propose, de résoudre ces problèmes et de leur donner une solution réali- sable et économique. C'est un premier but général de l'invention que de proposer un moteur pas à pas amélioré et un prbcédé de fabrication de celui-ci. Un autre but de l'invention est de proposer un moteur pas à pas qui offre la possibilité de relier au moins deux pièces polaires de stator de phases différentes, de telle sorte que le moteur pas à pas ait la possi- bilité de fonctionner avec plus de deux phases. C'est aussi un autre but de l'invention que de proposer un moteur qui soit fait d'une plura- llté d'ensembles de phase de stator, dit cages, chaque cage comprenant deux pièces polaires ménageant entre elles un espace pour une bobine de fil conducteur, et comprenant en outre une bague de champ pourvue d'encoches et de crans pour son imbrica- tion réciproque avec chaque cage respective. Un autre but de l'invention est de proposer un moteur pas à pas avec des cages individuelles identiques de manière à réduire les coûts d'outillage et de faciliter la fabrication. C'est encore un autre oDbjectif de l'invention que de proposer un moteur pas à pas ayant des encoches placées sur chaque cage de stator pour donner une rela- tion de phase convenable entre des disques polaires d'une même cage et entre des cages adjacentes. C'est enfin un dernier but de l'invention de proposer un moteur pas à pas qui ait un diamètre de rotor qui soit au moins approximativement de 55% du diamètre du moteur et ainsi procure substantiellement un couple plus important que les moteurs conventionnels de tailles équivalentes. Les buts sus-visés, et d'autres, sont atteints dcans une machine électrique tournante, et dans son procédé de faDrication conforme à la présente invention. Dans une forme préférée de réalisation la machine incorpore un rotor annulaire à aimant permanent ayant des pôles alternés en polarité tout autour de sa circonférence. Une ou plusieurs cages sont prévues qui, chacune, incorporent une paire de pièces polaires de stator de configuration annulaire. Chaque pièce polaire de stator a des pôles de stator séparés s'étendant axia- lement le long de sa périphérie interne en relation de flux magnétique avec le rotor. Les pôles de stator de l'une des pièces de la paire de pièces polaires sont en opposition de polarité et sont intercalés avec les pôles de stator de l'autre pièce polaire respective. Des moyens annulaires d'énergisation - sont disposés tout autour de la totalité de la périphérie du rotor et sont disposés substantiellement entièrement dans l'es- pace annulaire compris entre la pièce polaire de stator et une bague de champ annulaire, en vue de produire un champ magnétique dans les p8les de stator issus de la paire de pièces polaires. La bague de champ annulaire a une pluralité d'entailles et de saillies réparties sur les bords latéraux de sa surface périphé- rique extérieure. Ces saillies et encoches permettent à des cages identiques de phases différentes d'être imbriquées en force, ce par quoi on dispose d'un ensemble moteur autocontenant qui peut travailler avec plus de deux phases. Dans plusieurs dispositions avantageuses conformes à l'invention, la bague de champ annu- laire comprend en outre une série de fentes périphériques dispo- sées en son centre, qui, chacune reçoivent deux ergots de pièces -25 polaires respectives. La bague de champ est fabriquée à partir d'une bande plate qui est enroulée autour des pièces polaires assemblées de telle sorte que les ergots soient positionnés dans les fentes, ce par quoi est en outre facilitée la fabri- cation du moteur avec un alignement précis des pièces polaires. Les cages adjacentes du moteur sont emboîtées en force avec un décalage mécanique de un-demi pas de 4ent du stator (90 de déphasage électrique pour un moteur biphasé). Ce décalage à pour effet de décaler la direction du flux de stator passant à travers l'entrefer lorsque le flux s'établit lors du démarrage, grâce à quoi ce décalage de direc- tion dû au retard du démarrage du flux de stator des pôles de stator, conférera au motor un caractère d'unidirectionnalité au démarrage, de la manière bien connu des hommes de l'art. La machine électrique tournante de certaines formes de réalisations de l'invention incorpore également un premier et un deuxième flasque de montage. L'un et l'autre de ces flasques sont pourvus d'une pluralité d'en- tailles qui peuvent être agripées par des saillies émergeant des cages de stator pour constituer un carter autocontenant des ensembles de rotor et de stator de la machine électique iO tournante. L'un des flasques est pourvu d'une pluralité de trous taraudés de manière telle qu'il puisse être monté et fixé dans une position désirée. En outre, et selon plusieurs formes préférées de réalisation, la machine électrique tournante de l'inven ion incorpore un rotor dont le diamètre est au moins i5 égale à 55% du diamètre de la machine, grâce à quoi on obtient un couple de 40% supérieur à celui des moteurs conventionels de taille équivalente. Les buts sus-mentionnés et d'autres ainsi que les caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaitront mieux à la description détaillée qui va être faite, de formes particulières de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles: - la fig.l est une vue de côté éclatée d'un moteur pas à pas illustratif d'une forme de réali- sation de l'invention, - la fig. 2 est une perspective arrière du moteur pas à pas de la fig.l, - la fig.3 est une coupe du moteur pas à pas suivant la ligne 3-3 de la fig.2, -la fig.4 est une coupe du même suivant la 4-4 de fig.2, - la fig.5 est un diagramme illustrant la relation entre le diamètre du rotor et le couple de sortie du moteur pas à pas, et - la fig.6 est une représentation partielle, en perspective, illustrant une méthode d'assemblage de certains composants d'une autre forme de réalisation du moteur de l'invention. En référence aux dessins de détails, et initialement aux fig.l à 4, un moteur 10 construit conformément à une forme préférée de la présente invention est illustré. La présente invention bien que d'une application géné- rale est particulièrement souhaitable pour réaliser un moteur pas à pas, par exemple. Dans cette forme préférée de réalisation le moteur 10 incorpore un rotor 12 à aimant permanent pourvu sur son pourtour d'un]eu de pièces polaires non saillan- tes. Les rotors à pôles non saillants sont préférés en raison de leur coût plus bas par rapport à celui des rotors à pôles saillants ou à celui des rotors à aimants permanents individuels incorporés dans un support amagnétique. Le rotor 12 comporte douze pôles nord et douze pôles sud s'alternant sur sa peri- phérie, soit un total de 24 pôles. Le nombre total des pôles pourrait, bien sûr, être n'importe quel nombre pair. Le rotor 12 est supporté par une roue 14 montée fixement à l'intérieur du rotor 12 (voir fig.3). La roue 14 a un alèsage 15 à travers lequel passe l'arbre 16 de rotor qui est monté axialement à l'intérieur du moteur pas à pas, une paire de moyeux-support 18a et 18b sont placés sur les surfaces 19a et 19b de chacun des côtés opposés de la roue 14; ces moyeux 18a et 18b incorporent un alèsage annulaire 20a et 20b à travers lequel la tige du rotor est insérée et de ce fait les alèsages constituent un organe de rétention pour retenir la tige 16 du rotor dans sa position centrale à l'inté- rieur du moteur. Le moteur 10 a au moins une cage extérieure 22 de stator d'une configuration annulaire dis- posée d'une manière générale concentriquement autour la périphé- rie du rotor 12. Dans la forme de réalisation illustrée aux figures 1 à 4 deux de ces cages de stator 22 et 22' sont montées imbriquées l'une dans l'autre. Comme on en discutera plus loin, les possibilités d'imbrication des cages de phases différentes permettent l'interconnexion de deux ou plus ce deux cages, ce qui permet d'obtenir des moteurs à plus de deux phases. Puisque les deux cages montrées sur les dessins sont identiques et interchangeables le dessin illustre chaque caractéristique avec le symbol '. Cependant les références telles que 22 et 22' seront référencées de manière collective par 22 à moins qu'on ne le précise autrement. Chacune des cages 22 incorpore une paire de pièces polaires de stator 24a et 24b en forme de coupe. Les pièces polaires ont respectivement des bases annulaires 25a et 25b, et chacune des pièces polaires a de préférence douze dents de stator formées dans sa masse, bien que n'importe quel autre nombre de dent puisse être utilisé, et les dents s'étendent à angle droit depuis la périphérie intérieure de la base correspondane. Les pièces polaires 24a et 24b sont indentiqẻs ce qui permet des économies de fabrication et de stockage. Les dents 26a de la pièce polaire 24a s'étendent depuis la base 25a comme illustré en fig.l, ayec un espace 26a entre elles formant une échancrures en forme de V inversé 27a. Les dents 26b s'étendent dans l'autre sens depuis la base 25b de la pièce polaire 24b, l'espace entre des dents adjacentes 26b formant aussi une échancrure en forme de V. Lorsqu'elles sont assemblées les pièces polaires 24a et 24b sont accouplées en opposition avec les dents 26a insérées à l'intérieur des échancrures 27b des pièces polaires du rotor 24b, et les dents 26b de la pièce polaire 24b insérées dans les échancrures 27a de la pièce polaire 24a. Dans cette configuration les pièces polaires 24a et 24b forment un espace annulaire, entre elles, pour recevoir des moyens d'énergisation comprenant une bobine de fil conducteur 30. Ce bobinage est disposé substantiellement entièrement à l'intérieur de l'espace annulaire comme montré dans la coupe des figures 3 et 4. Le bobinage 30 est alimenté par un courant d'une seule phase par des fils 32 ce qui magnétise les douze pôles de la pièce polaire 24a selon une polarité, et les douze pôles de la pièce polaire 24b selon l'autre polarité. En vue de supporter de façon 262562? fiable les cages 22 dans les moteurs pas à pas 10 chaque cage 22 a une bague de champ 34 qui procure une fermeture extérieure de cage. En vue de maintenir ensemble plus d'une cage 22 de telle sorte que le moteur puisse travailler avec deux, trois, quatre ou cinq phases, chaque bague 34 incorpore une pluralité de saillies 36 et d'encoches 38 le long de ses premier et second bords latéraux 40a et 40b. Pour une orientation convenable, les saillies 36 de la surface latérale 40a de l'une des bagues 34 seront imbriquées dans les creux 38 de la seconde surface latérale 40b d'une autre bague. De façon similaire en vue d'une orientation' convenable les saillies 36 du côté de la surface b de l'une des bagues seront imbriquées dans les creux 38 de la surface latérale 40a d'une autre bague. Dans cette confi- guration de multiple bagues peuvent être imbriquées en force dans un moteur de telle sorte que chaque cage 22 puisse être d'une phase différente et que l'on puisse obtenir pour chaque moteur plus de deux phases. Chacune des pièces polaires de stator 24a, 24a', 24b et 24b' est pourvue de quatre crans 39a, 39a', 39b, 39b' respectivement, s'étendant vers l'extérieur. Ces crans sont coplanaires avec les bases correspondantes des pièces polaires et les crans sont positionnés sur chacune des pièces polaires à des intervalles de 90 . Comme on le voit mieux sur la fig.2, lors de l'assemblage du moteur, les crans 39a' et 39b de l'une des pièces polaires intérieures 24a' et 24b (fig.l) sont disposés en de recouvrement l'un de l'autre et sont insérés dans les ouvertures constituées par les encoches d'étendant vers l'intérieur 38 et 38' des bagues de champ 34 et 34'. Similairement, les crans 39a et 39b' du pourtour des pièces polaires 24a et 24b' sont disposés dans les encoches des bagues de champ. Le résultat de ce caractère d'imbrication des bagues de champ 34 est que chaque cage 22 aura ses pièces polaires déphasées électriquement de 90 par rapport aux pièces polaires d'une cage adjacente. Ce décalage aura comme résultat direct de conférer une caractéristique d'uni- directionalité au moteur, de la manière bien connue des spécia- listes; en outre le décalage des pièces polaires de stator crée une caractéristique d'autodémarrage. En vue d'assembler solidement les cages 22 et l'ensemble du rotor 12 danis un moteur pas à pas, celui-cl sera équipé de flasques de montage 44 et 46, res- pectivement avant et arrière. Le flasque arrière 46 incorpore une base circulaire 48 et un palier 50 s'étendant intérieurement depuis la base 48. Le palier 50 comprend un alèsage 52 (fig.2) dans lequel est axé l'arbre 16 de rotor. Le flasque arrière il0 comprend aussi une pluralité d'entailles 54 sur sa périphérie, lesquelles reçoivent des saillies 36 de l'une des bagues de champ 34 de telle sorte que le flasque soit solidement intégré au moteur. Dans la forme de réalisation illustrée, le flasque avant 44 à une forme générale en poire ou encore en pendentif, bien que n'importe quelles autres formes puissent lui être attribuées en fonction des nécessité de l'uti- lisateur. Le flasque 44 comprend une base 56 et un palier 58 faisant saillie de la base. Le palier 58 est pourvu deun alèsage dans lequel est axé l'arbre 16 de rotor. Une pluralité d'en- tailles 62, similaires aux entailles 54 sont ménagées à la péri- phérie du flasque 44 pour recevoir les saillies 36 des bords latéraux 40a et 40D de la bague de champ 34. De cette façon, le flasque 46 peut être monté de façon fiable sur la cage 22. Il résulte de cette configuration des flasques et des ensembles de rotor et de stator que l'ensemble du moteur est entièrement autocontenu. Le moteur 10 présente un couple supérieur de 40% par rapport au couple des moteurs de taille équivalente. Puisque le couple maximal pour un moteur de taille donnée est une fonction du diamètre du rotor par rapport au volume d'acier et au volume de cuivre, s'il y a trop d'acier ou trop de cuivre le couple sortie décroît. Inversement si le diamètre du rotor peut être accru dans un moteur donné sans que soit modifié la quantité de cuivre et d'acier, le couple sera accru de manière correspondante. La fig.5 est un diagramme illus- 9- trant la relation entre le diamètre du rotor et le couple de sortie pour un moteur ayant un diamètre de 35 mm environ, et pour certaine puissance fournie. La courbe 65 du diagramme montre que le couple culmine lorsque le diamètre du rotor est d'environ de 22 mm; ceci correspond à un diamètre de rotor qui est appro- ximativement de 64% du diamètre du moteur. Bien que le couple commence à chuter lorsque le diamètre du rotor excède approxima- tivement 24 mm, soit approximativement 68% du diamètre du moteur, le couple reste à un niveau comparativement élevé jusqu'à ce que le diamètre du rotor atteigne 26 mm, soit approximativement % du diamètre du moteur. Pour des rotors plus petits le couple est également comparativement haut jusqu'à ce que le diamètre de rotor chute au-dessous de 19 mm, soit approximativement 55% du diamètre du moteur. En gardant le rapport du diamètre du rotor au diamètre du moteur dans la plage allant d'environ 55% à environ 75% ont obtient des résultats particulièrement bon, et le couple de sortie est approximativement supérieur de 40% à celui des moteurs conventionnels de taille équivalente, qui ont habituellement un diamètre de rotor égal à 40 à 50% ou moins du diamètre du moteur. Le rotor 12 peut être une struc- ture unitaire coopérant avec toutes les cages comme cela est montré en fig.l, ou encore chaque cage individuelle peut corres- pondre à un rotor séparé comme cela est indiqué par la ligne en tirets 13 traversant le rotor 12 de la fig.l. Similairement le moteur peut être pourvu d'une bague de champ individuelle 34 ou 34' pour chacune des cages, ou encore une bague unique pour enclore l'en- semble des cages. Ce reportant à la fig,6 par exemple, il est montré qu'une bague de champ unique 70 destinée à coopérer avec chacunes des cages 22 et 22'. La bague 70 est constituée d'une bande plate d'acier laminé à froid, ou d'un autre matériau magné- tique, pourvue de fentes s'étendant longitudinalement dans la partie centrale de la bande. Chacune de ces fentes a une largeur égale à deux fois l'épaisseur des crans 39 et 39' des pièces polaires 24a' et 24b des cages respectives. Des saillies 76 disposées le long des bords longitudinaux de la bande 70 s'inter- pénètrent avec les entailles 54 et 62 des flasques 46 et 44 ou avec les encoches d'une bague adjacente, selon le nombre des cages du moteur. Pour assembler les pièces polai- res 24a' et 24b, ces pièces sont fournies par gravité au moyen de glissières 80 et 81, respectivement à une paire de mandrins opposés 83 et 84; les mandrins 83 et 84 sont alors mûs axiale- ment en direction l'un de l'autre pour positionner les pièces 24a' et 24b en contact dos à dos dans une matrice de conformation 85. Les pièces polaires soudées à l'intérieur de la matrice , leurs crans respectifs 39 et 39' étant en relation de recou- vrement l'un de l'autre. Les mandins 83 et 84 entrainent alors en rotation les pièces polaires 24a' et 24b, en même temps que la bande de 70 est introduite dans la matrice 85. Lorsque la bande 70 se meut dans la matrice, elle est enroulée autour des pièces polaires 24a' et 24b de manière telle qu'elle prend une configuration cylindrique, chacune des paires d'ergots ali- gnés 39 et 39' étant disposées dans l'une des fentes de la bande; les crans 39 et 39' sont situés sur les pièces polaires dans une position telle que se trouve procuré automatiquement le décalage de phase requis entre les cages 22 et 22'. Il résulte de ce montage que le coût de fabrication du moteur est réduit de manière substantielle et qu'en même temps il procure une méthode précise et fiable d'aligement des cages. Dans la forme de réalisation des figures 1 à 4 les bagues de champ de champs 34 et 34' et les flasques 44 et 46 constituent un boitier en plusieurs pièces du moteur. Similairement dans la forme de réalisation de la fig.6 le boîtier en plusieurs pièces est constitué par la bague 70 en coopération avec les flasques. Dans chacune de ces formes de réalisation les pièces composant le boîtier sont verrouillées ensemble par les diverses saillies, crans et entailles pour maintenir les pièces en position fixe. Bien que l'on ait décrit et représenté des formes particulières et préférées de réalisation d'une machine tournante électrique,! telle que moteur pas à pas, conforme à la présente invention, il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limitée à ces formes mais qu'elle s'étend à tous les moyens équivalents entrant dans le champ ou relevant de l'idée de la présente invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Machine tournante électrique du genre moteur pas à pas formée d'un rotor et d'un stator, caractérisée: en ce qu'elle comprend en combi- naison: - un rotor annulaire (12) pourvu sur son pourtour de pôles de polarité alternée, ledit rotor ayant un diamètre extérieur au moins égal à 60% du diamètre extérieur de la machine, - au moins un ensemble de phase de stator, dit cage, (22, 22') incorporant une paire de pièces polaires (24a,24b,24a',24b') disposées en relation d'opposition l'une par rapport à l'autre pour former un espace annulaire entre elles, la paire des pièces polaires étant disposée autour de la périphérie extérieure du rotor, chaque pièce polaire comportant sur sa périphérie interne des pôles de stator (26a,26b) issus d'elle espacés les uns des autres et en relation de flux magnétique avec les pôles du rotor, les pôles de stator des pièces polaires respectives étant imbriqués les uns entre les autres, et - des moyens (30,30') annulaires d'énergisation entourant la périphérie extérieure du rotor sont disposés substantiellement entièrement à l'intérieur de l'espace annulaire ménagé entre les pièces polaires du stator, les dits moyens étant destinés à induire un champ magnétique dans les pôles de stator de la dite paire de pièces polaires; 2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée: en ce qu'elle comprend en outre un boitier en plusieurs pièces, l'une des pièces du dit boitier étant constituée par au moins une bague de champ (34,34',70) ayant un premier bord et un second bord, chacun des bords comportant une pluralité d'encoches (38,38') et dé saillies (36,36'), d'autres pièces additionnelles dudit boitier étant pourvues d'entailles s'épousant avec les dites saillies, les saillies de l'un des côtés de la bague étant incrustées dans les entailles de l'une des dites pièces additionnelles du boitier et les saillies de l'autre côté de la bague étant incrustée dans les entailles d'une autre pièce additionnelle du boitier; 3.- Machine selon la revendication 2, caractérisée: en ce qu'au moins deux cages sont imbriquées dans la dite machine pour que celle-ci puisse fonctionner avec plus de deux phases; 4.- Machine selon la revendication 2, caractérisée: en ce que l'une des dites pièces additionnelles de boitier est constituée par un flasque (44,46) comportant des entailles (54,62) d'accouplement destinées à loger les saillies de l'un des dits côtés de la bague, de telle sorte que le flasque soit maintenue fixe- ment sur la machine; 820 5.- Machine selon la revendication 2, caractérisée: en ce que le nombre des dites bagues de champ est de deux 6. - Machine selon la revendication 2, caractérisée: en ce que chacune des dites cages a ses pièces polaires de stator déphasées de 90 par rapport aux pôles de stator de la cage adjacente; 7.- Machine selon la revendication 2, caractérisée: en ce que le diamètre du rotor est compris entre 55 et 75% du diamètre extérieur de la machine, le diamètre du rotor étant compris entre 19 et 26 mm; 8.- Procédé de fabrication d'une machine tournante conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractéri- se: en ce qu'il comprend les étapes consistant à - assembler deux cages de stator incluant chacune une paire de pièces polaires de configura- tion annulaire, en relation d'opposition l'une par rapport à l'autre de façon à former entre elles un espace annulaire, chacune des dites pièces polaires comportant le long de sa périphérie interne des pôles de stator espacés les uns u10 des autres, les pôles de chacune des pièces de chacune des cages s'imbriquant les uns dans les autres, - orienter les cages de stator de telle sorte que les pôles de stator de l'une soient dépha- sés électriquement de 90 par rapport aux pôles de stator de l'autre, fixer de façon permanente une première pièce polaire de l'une des dites cages à une pièce polaire de l'autre des dites cages avec une orientation des pôles de stator procurant le dit déphasage, chacunes des dites premières et secondes pièces polaires ayant une pluralité ce crans espacés autour de sa périphérie, les crans de l'une des pièces étant en relation de contact face à face et de recouvrement avec les crans de l'autre pièce polaire, - former une bande plate de matériau magnétique (70) dont les côtés latéraux comportent chacun une pluralité d'encoches et de saillies (76) et dont la partie centrale comporte des fentes longitudinales (71), recourber ladite bande autour des pièces polaires fixées l'une à l'autre de telle sorte que les crans, en recouvrement l'un de l'autre, pénètrent dans les dites fentes, pour former une bague constituant l'une des pièces de boitier de la dite machine, et - mettre en position des bobina- ges dans l'espace annulaire formé entre les pièces polaires de chaque cage de façon à induire un champ magnétique dans leurs pôles.