Brevet FR2693854A1 — publié le 19940121

MOTEUR PAS A PAS La présente invention concerne les moteurs pas à pas et en particulier des éléments constituant un moteur pas à pas. La figure 1 représente en vue éclatée une structure de moteur pas à pas classique Ce moteur comprend un rotor 10 cons- titué d'un axe 12 en acier traité emmanché dans une pièoe cen- trale 13 (appelée ci-après pièce rotorique) en matière plas- tique L'axe 12 peut être immobilisé en rotation par rapport à la pièoe rotorique 13 par divers moyens classiques, tels que ceux décrits dans la demande de brevet français 2 439 501 Un aimant permanent 14 en forme de bague coaxiale à l'axe 12 est solidarisé de la pièoe rotorique 13, par exemple par surmoulage de celle-ci sur l'aimant L'aimant 14 comprend une pluralité de zones axiales aimantées alternativement selon des polarités opposées. Un stator comprend deux couples (un seul couple 16 est représenté) de rangées de dents polaires 18 axiales entourant le rotor 10 Les rangées de dents 18 sont solidaires respectivement de deux disques annulaires radiaux 20, 21 et s'étendent perpen- diculairement à ces disques Dans la figure 1, les dents du disque 20 s'étendent vers le bas et sont entrelacées aux dents du disque 21, s'étendant vers le haut Une bride de fixation 22 est rapportée sur le disque annulaire 20 Autour des rangées de dents 18 entrelacées, entre les disques 20 et 21, est disposée une cage 24 en un matériau isolant dans laquelle est enroulée une bobine 25 Dans le cas d' un moteur bipolaire, il y a une seule bobine 25 et, dans le cas d 'un moteur unipolaire, il y a deux bobines 25 constituées de deux fils enroulés simultané- ment Les bornes des bobines sont soudées sur des cosses 27 solidaires de la cage 24, auxquelles sont connectés des câbles électriquement isolés 28 d'alimentation du moteur. L'ensemble statorique formé des éléments 18 à 28 peut être surmoulé dans une résine non représentée Un deuxième ensemble statorique est juxtaposé axialement à l'ensemble stato- rique 18-28 pour former le deuxième couple 16 susmentionné de rangées de dents Les deux ensembles statoriques sont position- nés en rotation de manière prédéterminée l'un par rapport à l'autre autour de l'axe 12. Sur l'ensemble statorique représenté 18-28 est fixée une pièoe radiale de fermeture 30 comprenant une rotule 32 de guidage de l'axe 12 Une même pièoe 30 non représentée est fixée sur l'ensemble statorique non représenté, de l'autre côté du rotor 10 La rotule 32 est guidée dans une zone centrale épais- sie 30-1 de la pièce de fermeture 30 Cette zone épaissie 30-1 comprend une partie rapportée 30-2 destinée à permettre le mon- tage de la rotule 32 La pièoe rapportée 30-2 est maintenue grâoe à un jonc annulaire 34 entourant la zone épaissie 30-1 et la pièce rapportée 30-2 Une saillie annulaire 30-3 de la pièce , coaxiale à l'axe 12, sert dans certaines applications à centrer le moteur Il existe des moteurs pas à pas de moins bonne qualité qui sont munis de paliers lisses à la place des rotules. Le rotor 10 est immobilisé axialement grâce à un systè- me à ressort 38 Le ressort 38 est centré sur l'axe 11 et dispo- sé dans un évidement cylindrique 13-1 de la pièce rotorique 13. Ce ressort s'appuie entre la pièce 13 et une chape 39 coulissant dans l'évidement 13-1 Des rondelles 40 en un matériau à faible coefficient de frottement sont disposées autour de l'axe 12 respectivement entre la rotule 32 représentée et la chape 39, et entre la pièce centrale 13 et la rotule de la pièce de fermeture non représentée. Les éléments 18, 20 et 21 sont en un matériau magné- tique Une ceinture non représentée, également en un matériau magnétique, ferme la circonférence des ensembles statoriques 18-28 et entre en contact avec les disques annulaires 20 et 21 afin d'assurer une fermeture de circulation de flux magnétique. Un tel moteur comprend environ 30 pièces dont cer- taines sont coûteuses en elles-mêmes (axe traité 12, rotules 32 et leurs pièces de fermeture 30 associées) Ce nombre élevé de pièces entraîne des coûts élevés de contrôle et de montage du moteur, ainsi que des difficultés d'automatisation. La demanderesse a constaté que la présence dans un tel moteur d'un grand naubre de pièces provient de façon générale de la nécessité de compenser le fait que certaines pièces, notam- ment les groupes statoriques 18-28, présentent des dimensions et des défauts de géométrie variables d'une pièce à l'autre En effet, il faut prévoir un guidage à rotules 32 car on n'est pas sûr du parallélisme entre les deux pièces de fermeture 30 et de l'alignement des paliers ( 32), ces paramètres dépendant essen- tiellement du parallélisme et de l 'alignement incertains entre les disques 20 et 21 des ensembles statoriques 18-28 En outre, il faut prévoir un système de rattrapage de jeu axial 38, 39, , car on n'est pas sûr de la distanoe séparant les pièoes de fermeture 30, dépendant essentiellement de la hauteur incertaine des ensembles statoriques Il est de toutes façons néèssaire de prévoir un palier ( 32) lubrifié (le matériau des rotules 32 est généralement autolubrifiant) entre deux pièoes métalliques ( 12, ) non lubrifiées en frottement. En outre, l'utilisation de fil émaillé pour les bobines nécessite de prévoir: des cages isolantes 24 pour éviter d'écailler l'émail par frottement contre des parties métalliques, des cosses 27 pour connecter les bobines, et une protection contre les agressions extérieures, telle qu'un surmoulage ou un capot en matière plastique. Un objet de la présente invention est donc de prévoir une structure de moteur pas à pas permettant d'employer environ trois fois moins de pièoes qu'une structure classique. Cet obj et est atteint grâce à un moteur pas à pas comprenant: un rotor muni d' un axe et, en périphérie, d 'un aimant permanent aimanté selon de multiples faces axiales de polarités alternées; un stator muni de deux couples de rangées de dents polaires entourant le rotor, les dents respectives des rangées d'un couple étant axialement entrelacées; au moins une bobine coaxiale à l'axe et associée à chaque couple de rangées de dents; et deux flasques radiaux disposés de part et d'autre du rotor munis chacun d'un palier pour guider l'axe Selon l'invention le rotor comprend une pièce rotorique en matière plastique formant ledit axe et supportant l'aimant et chaque flasque comprend une zone centrale repliée en forme de bague servant de palier audit axe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdites dents polaires font partie d'une même pièce tubulaire, la cohésion de la pièce tubulaire étant assurée par des zones amincies de celle-ci, reliant entre elles les rangées de dents de chaque couple. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moteur comprend un disque annulaire solidaire de la pièce tubulaire et disposé autour de celle-ci au niveau de l'interface entre les deux couples de rangées de dents et formant avec les flasques deux zones destinées à recevoir chacune au moins une bobine. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les bobines sont constituées de fil isolé directement enroulé autour de la pièce tubulaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les flasques comprennent des tétons de centrage de ladite pièce tubulaire, ces tétons ainsi que ladite bague servant de palier, étant obtenus à partir d'une même pièce plate par emboutissage et/ou matriçage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite pièce tubulaire est formée d'une tôle plate enroulée dans laquelle sont prédécoupées les rangées de dents. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une extrémité dudit axe comprend une forme spécifique obtenue par une même opération de moulage dudit rotor et de l'axe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit axe est muni d'un trou axial traversant. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront décrits en détail grâce à des modes de réalisation apparaissant dans les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente une structure de moteur pas à pas classique; et la figure 2 représente une structure de moteur pas à pas selon la présente invention. A la figure 2, un mode de réalisation de structure de moteur pas à pas selon la présente invention est représenté en vue de coupe partiellement éclatée Ce moteur comprend un rotor constitué d'un aimant en forme de bague 14, tel que celui de la figure 1 surmoulé d'une pièce rotorique 50 en matière plasti- que Dans cette pièce rotorique 50 sont réalisés deux demi-axes 51 s'étendant de part et d'autre de la pièce Ces demi-axes 51 sont par exemple obtenus par moulage, surmoulage ou tournage. Dans la pièce 50, on a également formé, à la base des demi-axes 51, des épaulements 52 dont les faces radiales sont distantes d'une valeur précise obtenue facilement par l'un des procédés susmentionnés Le rôle de ces épaulements sera exposé ultérieu- rement. Les demi-axes 51 sont guidés chacun dans une zone en forme de bague 54 de deux flasques 55 fermant le moteur de part et d'autre du rotor 10 En utilisant une matière plastique à faible coefficient de frottement pour la pièce rotorique 50, il n'est pas nécessaire de prévoir un palier lubrifié entre les demi-axes 51 et les bagues 54 En outre, un axe en matière plastique présente une haute résistance à la corrosion. Une pièoe tubulaire 57 coaxiale au demi-axe 51 entoure le rotor 10 et relie entre eux les deux flasques 55 Des tétons 55-1 formés sur les flasques 55 sont disposés sur un èrcle et permettent de centrer la pièoe tubulaire 57 par rapport aux bagues 54, et donc par rapport au rotor 10 La pièce tubulaire 57 est rendue solidaire des flasques 55, par exemple, par encas- trement autour des tétons 55-1 ou bien par soudage électrique ou au laser à ès tétons Dans la pièce tubulaire 57 sont formées des rangées de dents polaires 59 correspondant aux deux couples de rangées de dents décrits en relation avec la figure 1 Chaque couple de rangées est formé par découpe discontinue en zig zag de la pièce tubulaire 57 selon le sens circonférenciel Les zones de discontinuité de la découpe assurent la cohésion de la pièce tubulaire et sont situées, par exemple, au niveau des sanmets des dents Comme èla est représenté, et de façxon classique, les couples de rangées sont décalés l'un par rapport à l'autre d'un "quart de période" de répétition des dents. Selon l'invention, il n'est plus néèssaire de prévoir de paliers tels que les rotules 32 de la figure 1, car il est facile de réaliser un bon parallélisme entre les zones extrêmes de la pièce tubulaire 57 qui assurent le parallélisme entre les flasques 55 Un bon alignement des bagues 54 est également facile à réaliser car les flasques 55 sont solidaires d'une seule pièce ( 57) de structure simple (cylindre) dont la géomé- trie est facilement maitrisable avec les techniques de fabrica- tion actuelles. Autour de la pièce tubulaire 57, au niveau de la zone de séparation des couples de rangées de dents, est emmanché un disque annulaire 61 séparant l'intérieur du moteur en deux zones de bobinage Une ceinture 62 entrant en contact avec les flas- ques 55 et le disque 61, finit de fermer le moteur D'autres moyens de fermeture du moteur pourront être prévus, tels que des parois cylindriques formées par emboutissage de l'un ou des deux flasques 55 La fonction du stator du moteur est assurée par les deux flasques 55, la pièoe tubulaire 57, le disque annulaire 61 et la ceinture 62 Ces pièces 55, 57, 61 et la ceinture sont donc en un matériau magnétique Le moyen de fixation de la ceinture pourra être similaire à celui d'un moteur classique, par exemple par soudage. Les épaulements 52 susmentionnés de la pièce rotorique en matière plastique servent à positionner axialement le rotor 10 et s'appuient respectivement sur les flasques 55 Ce positionnement axial est suffisant car la hauteur de la pièce tubulaire 57, distance séparant les flasques 55, peut être réalisée avec précision On évite l'emploi de rondelles ( 40), car le rôle de ces dernières est assuré par les épaulements 52 en matière plastique. Les discontinuités de découpe des dents 59, assurant la cohésion de la pièoe tubulaire 57, constituent lors du fonctionnement du moteur des court-circuits magnétiques satura- bles qui entraînent une perte de couple du moteur. Toutefois, grâce à cette réalisation des dents 59 par découpe discontinue, on obtient un positionnement précis des dents 59 les unes par rapport aux autres Ceci permet de compen- ser la perte de couple en réalisant des dents qui occupent une surfaoe plus importante, ce qui n'est pas possible dans un moteur classique o il faut prévoir une marge suffisante autour des dents pour pallier des défauts de positionnement La meil- leure précision de positionnement des dents 59 entraîne aussi une avantageuse réduction du couple résistant lorsque le moteur n'est pas alimenté. En outre, les courts-circuits magnétiques permettent de réaliser une détection économique de la position de rotor grâoe à un circuit de détection, tel que èlui décrit dans la demande de brevet européen O 420 501, exploitant la saturation du stator en fonction de la position du rotor En effet, les court-circuits magnétiques se saturent plus ou moins selon la position de l'aimant 14 par rapport aux dents 59 et entraînent une variation de 1 ' inductance des bobines qui peut alors être détectée Cette saturation rapide n'est par ailleurs pas un inconvénient. Des bobines 63 sont directement enroulées autour de la pièce tubulaire 57 entre les flasques 55 et le disque annulaire 61 De préférence, le fil des bobines est un fil gainé de faible diamètre et pourra donc servir directement de câble d'alimenta- tion du moteur sans qu'il soit néoessaire de passer par l'inter- médiaire de cosses 27 et de câbles gainés supplémentaires 28, et de prévoir un surmoulage de résine L'augmentation du volume des bobines occasionnée par les gaines des fils est compensée par le gain de volume lié à l'absence des cages 24 et de la résine de surmoulage. Les bagues 54 et les tétons 55-1 peuvent être réalisés en une seule opération d'emboutissage et/ou de matriçage des flasques 55 Si l'on a besoin d'une bride de fixation du moteur, l'un des flasques 55 sera prévu pour ètte fonction, par exem- ple, en le réalisant de diamètre plus grand que celui du moteur et en le munissant de trous périphériques La fonction de cen- trage de la saillie annulaire 30-3 de la figure 1 peut être réalisée par le bord circulaire d'un des flasques 55, car ce bord peut facilement être réalisé coaxial à la bague 54 Si l'on veut munir le moteur d'un pignon, celui-ci pourra être directe- ment réalisé sur l'un des demi-axes 51 lors d'une même opération de moulage Les demi-axes 51 pourront être munis de toute autre forme moulable, telle qu'un méplat, un excentrique, un filetage, un moletage Comme ces formes font partie intégrante de l'axe, on élimine le problème de la tenue en rotation de ces formes, qui se présente lorsqu'on utilise, par exemple, des pignons en matière plastique emmanchés sur l'axe. La pièce tubulaire 57 peut, à l'origine, être une plaque plane dans laquelle on découpe les dents 59 selon les procédés classiques, cette plaque étant ensuite enroulée et maintenue en position enroulée grâce au disque annulaire 61. Bien entendu, on pourra directement découper les dents 59 dans un tube. On peut prévoir un trou axial traversant le rotor 10 et les demi-axes 51, ce qui permet au moteur selon l'invention, avant sa fermeture par la oeinture 62, d'être monté sur un tour à bobiner classique pour réaliser les bobines 63, en utilisant un outillage spécifique de montage très simple. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne les différentes façons de réaliser les pièces et de les assembler entre elles. REVENDICATIONS 1 Moteur pas à pas comprenant: un rotor ( 10) muni d'un axe ( 51) et, en périphérie, d'un aimant permanent ( 14) aimanté selon de multiples faoes axiales de polarités alternées; un stator muni de deux couples de rangées de dents polaires ( 59) entourant le rotor, les dents respectives des rangées d'un couple étant axialement entrelacées; au moins une bobine ( 63) coaxiale à l'axe et asso- ciée à chaque couple de rangées de dents; et deux flasques radiaux ( 55) disposés de part et d'autre du rotor munis chacun d'un palier ( 54) pour guider l'axe; caractérisé en ce que le rotor comprend une pièce rotorique ( 50) en matière plastique formant ledit axe ( 51) et supportant l'aimant; et chaque flasque comprend une zone oentrale ( 54) repliée en forme de bague servant de palier audit axe. 2 Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites dents polaires font partie d'une même pièce tubu- laire ( 57), la cohésion de la pièce tubulaire étant assurée par des zones amincies de celle-ci, reliant entre elles les rangées de dents de chaque couple. 3 Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un disque annulaire ( 61) solidaire de la pièce tubulaire ( 57) et disposé autour de celle-ci au niveau de l'interface entre les deux couples de rangées de dents ( 59) et formant avec les flasques ( 55) deux zones destinées à recevoir chacune au moins une bobine ( 63). 4 Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bobines sont constituées de fil isolé directement enrou- lé autour de la pièce tubulaire ( 57). il Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les flasques ( 55) comprennent des tétons ( 55-1) de centrage de ladite pièce tubulaire ( 57), ces tétons ainsi que ladite bague ( 54) servant de palier, étant obtenus à partir d'une même pièce plate par emboutissage et/ou matriçage. 6 Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pièce tubulaire ( 57) est formée d'une tôle plate enroulée dans laquelle sont prédécoupées les rangées de dents ( 59). 7 Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une extrémité dudit axe ( 51) comprend une forme spécifique obtenue par une même opération de moulage dudit rotor ( 10) et de l'axe. 8 Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit axe ( 51) est muni d'un trou axial traversant.