Brevet FR2715780A1 — publié le 19950804

- 1 - 2715780 La présente invention concerne un stator de moteur rotatif piézoélectrique et un moteur rotatif piézoélectrique comportant un tel stator. Les moteurs rotatifs piézoélectriques sont constitués par une partie fixe, ou stator, et par une partie rotative, ou rotor, qui s'appuient l'une contre l'autre le long d'une surface de contact circulaire, généralement périphérique, formant zone de friction. Des éléments piézoélectriques sont disposés au voisinage de la zone de friction du stator et sont soumis à une tension à haute fréquence qui est appliquée sur chacun d'eux avec un déphasage approprié pour engendrer une onde progressive à la surface de la zone de friction. Ainsi, la zone de friction du stator se déforme et entraîne le rotor en rotation. Les moteurs piézoélectriques présentent notamment l'avantage de fournir un couple de rotation élevé pour une faible vitesse de rotation. Toutefois, la puissance de ces moteurs se trouve limitée du fait que les éléments piézoélectriques ne peuvent subir des flexions trop importantes sous peine de se rompre. De plus, les moteurs piézoélectriques connus sont le siège de nombreuses pertes d'énergie par frottements, ce qui occasionne en outre des échauffements qui sont préjudiciables au bon fonctionnement des éléments piézoélectriques. La présente invention vise à fournir un stator de moteur piézoélectrique qui permet de réaliser un moteur piézoélectrique ne présentant pas les inconvénients des moteurs connus et fournissant une puissance mécanique élevée. Le stator selon la présente invention est en outre particulièrement simple et économique. La présente invention a pour objet un stator de moteur rotatif piézoélectrique du type constitué par un corps comportant une zone de friction périphérique et une pluralité d'éléments piézoélectriques aptes à engendrer une onde progressive de déformation de la zone de friction, caractérisé par le fait que le corps comporte un moyeu dans lequel sont logés les éléments piézoélectriques, de préférence selon une configuration en anneau, et une partie de raccordement entre le moyeu et la zone de friction, cette partie de raccordement étant réunie au moyeu de manière à former un bras de levier qui transmet, en les amplifiant, les déformations axiales de tout élément piézoélectrique à la portion de la - 2 - 2715780 zone de friction située dans le même secteur angulaire que cet élément piézoélectrique. On comprend que le stator selon l'invention permet d'obtenir une amplitude de déformations importante de la zone de friction, pour des allongements limités des éléments piézoélectriques. Cette caractéristique présente de nombreux avantages: D'une part, les éléments piézoélectriques travaillent en traction-compression, ce qui permet d'obtenir une plus grande puissance et de travailler avec des tensions plus élevées. D'autre part, les échauffements dus aux frottements de la zone de friction contre le rotor ne sont que faiblement transmis aux éléments piézoélectriques, lesquels peuvent ainsi fonctionner dans de meilleures conditions thermiques. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les éléments piézoélectriques sont précontraints axialement dans le moyeu. Ainsi, non seulement les sollicitations des éléments piézoélectriques sont essentiellement axiales, mais en outre elles se produisent uniquement en compression. Ce mode de réalisation permet de tirer profit du fait que la résistance à la compression des éléments piézoélectriques est plus élevée que leur résistance à la traction. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, chaque élément piézoélectrique est constitué par un empilement de céramiques. Cette configuration est rendue possible par le fait que, selon l'invention, les éléments piézoélectriques ne sont pas sollicités en flexion. Grâce à un tel empilement, on peut obtenir des allongements bien supérieurs à ceux d'une céramique en un seul bloc de mêmes dimensions que l'empilement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'onde progressive est formée par une distribution des empilements de céramiques tous les quarts de longueur d'onde de sorte que l'application de la tension sur ces empilements s'effectue de façon alternée en sinus, -sinus, cosinus, cosinus. La présente invention a également pour objet un stator comportant deux corps tels que décrits ci-dessus, accouplés par leurs moyeux. Les zones de friction de ces deux corps sont opposées en étant situées de part et d'autre du plan médian du stator. L'invention a également pour objet un moteur rotatif piézoélectrique comportant un stator tel que décrit ci-dessus. - 3 - 2715780 Selon un premier mode de réalisation, le moteur comporte un seul rotor qui se présente sous la forme d'un cylindre fermé à ses deux extrémités, à l'intérieur duquel un stator à deux corps est enfermé avec ses deux zones de friction opposées en appui contre les extrémités fermées du rotor. Selon un second mode de réalisation, le moteur comporte deux rotors indépendants se présentant chacun sous la forme d'un disque qui s'appuie contre la zone de friction d'un des corps d'un stator à deux corps. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant des modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente schématiquement une section transversale d'un stator selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en section transversale d'un moteur muni d'un tel stator, - la figure 3, analogue à la figure 1, représente un stator selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique en section transversale d'un moteur muni du stator de la figure 3, et - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 d'un moteur selon un autre mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un stator 1 constitué par deux corps 2 et 3. Chaque corps 2,3 comporte un moyeu 4,5 dans lequel sont logés des éléments piézoélectriques 6,7 selon une disposition en anneau. Dans l'exemple illustré, le logement des éléments piézoélectriques 6,7 est situé à la périphérie des moyeux 4,5. Les éléments piézoélectriques 6,7 sont constitués ici par des empilements de céramiques. Sur chaque corps du stator, une partie de raccordement 8,9, en forme de coupelle, relie le moyeu 4,5 à une zone de friction périphérique 10,11. Dans l'exemple illustré, chaque zone de friction 10,11 est recouverte d'une couche d'un matériau de friction résistant à l'usure. Des fixations d'accouplement 12 réunissent les deux moyeux 4,5 par leur base, pour former un stator comportant deux zones de friction 4- - 2715780 opposées 10, 11. Les fixations 12 sont réglées de telle sorte que les céramiques 6,7 sont précontraintes-axialement. Les fixations d'accouplement 12 sont situées à l'intérieur des céramiques 6,7, ce qui permet de précontraindre lesdites céramiques pour les faire travailler en compression, en exerçant une pression sur la zone de friction 10 du stator par serrage de ce dernier contre un rotor. Dans les régions 13,14 situées au voisinage des extrémités des fixations 12, chaque partie de raccordement 8,9 est susceptible de fléchir légèrement pour jouer le rôle d'un bras de levier qui transmet et amplifie les déformations axiales des empilements des céramiques 6,7 aux zones de friction 10,11. Des flèches 15 indiquent le sens de déformation des zones de friction. La figure 2 représente un stator similaire à celui de la figure 1 emprisonnée entre deux rotors R réunis par un arbre A et comprimés par l'élasticité d'une plaque-ressort P. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, le stator 16 comporte les mêmes pièces que celui de la figure 1, dans un agencement différent. Dans ce mode de réalisation de la figure 3, les empilements de céramiques 17 sont plus proches de l'axe du stator que les fixations d'accouplement 18. En d'autres termes, dans ce mode de réalisation, les fixations d'accouplement 18 se situent à l'extérieur des céramiques 17. Les parties de raccordement 19 sont également susceptibles de fléchir dans leur région 20 située au voisinage des extrémités des fixations 18. Ainsi, chaque partie de raccordement 19 forme un bras de levier qui transmet les déformations axiales d'un empilement de céramiques 17 à la portion de la zone de friction 21 située dans le même secteur angulaire que cet empilement de céramiques 17. Le stator de la figure 3 est monté dans un moteur piézoélectrique 22, représenté à la figure 4. Un rotor 23 en forme de cylindre fermé à ses deux extrémités 24, 25 enveloppe le stator qui est ici schématiquement représenté par un bloc hachuré 16. Chacune des zones de friction 21 prend appui contre une extrémité 24, 25 du rotor 23. - 5- 2715780 Le rotor 25 est lui-même logé dans un carter cylindrique 26 fermé dont une extrémité 27 comporte un axe 28 qui supporte l'ensemble statorique 16 et autour duquel peut tourner le rotor 23 et dont l'autre extrémité 29 comporte une ouverture 30 pour le passage d'un arbre 31 solidaire du rotor 23. La force d'appui des zones de friction 21 contre le rotor 23 est avantageusement assez élevée, ce qui permet d'obtenir un couple de rotation important. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 5, un carter 32 comporte deux compartiments, séparés par une cloison 33, dans chacun desquels est logé un corps de stator selon l'invention qui est ici schématiquement représenté par un bloc hachuré 34. Comme décrit en référence à la figure 4, les deux corps de stator 34 sont accouplés pour former un stator, à la différence près que la paroi séparatrice 33 du carter 32 est emprisonnée entre les deux corps de stator 34. Ainsi, les deux zones de friction 35 peuvent subir des déformations indépendantes et notamment la progression de l'onde peut se faire dans des directions opposées. De ce fait, les deux arbres 36 qui sont solidaires des rotors en forme de disque 37 s'appuyant chacun sur une zone de friction 35, peuvent tourner en sens inverses. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toute modification désirable sans sortir pour cela du cadre de l'invention. - 6 - 2715780 REVENDICATIONS 1 - Stator de moteur rotatif piézoélectrique du type constitué par un corps comportant une zone de friction périphérique et une pluralité d'éléments piézoélectriques aptes à engendrer une onde progressive de déformation de la zone de friction, caractérisé par le fait que le corps comporte un moyeu (4,5) dans lequel sont logés les éléments piézoélectriques (6,7,17) et une partie de raccordement (8,9,19) entre le moyeu (4,5) et la zone de friction (10,11,21,35), cette partie de raccordement (8,9,19) étant réunie au moyeu (4,5) de manière à former un bras de levier qui transmet, en les amplifiant, les déformations axiales de tout élément piézoélectrique (6,7,17) à la portion de la zone de friction (10,11,21,35) située dans le même secteur angulaire que cet élément piézoélectrique (6,7,17). 2 - Stator selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments piézoélectriques (6,7,17) sont précontraints dans le moyeu. 3 - Stator selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chaque élément piézoélectrique (6,7,17) est constitué par un empilement de céramiques. 4 - Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte deux corps de stator (2,3), accouplés par leurs moyeux (4,5), les zones de friction (10,11,21,35) de ces deux corps (2,3) étant opposées et situées de part et d'autre du plan médian du stator. - Stator selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les deux corps de stator (2,3) sont maintenus accouplés par des fixations d'accouplement (12) qui se situent à l'intérieur des éléments piézoélectriques (6,7). 6 - Stator selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les deux corps de stator (2,3) sont maintenus accouplés par des fixations d'accouplement (18) qui se situent à l'extérieur des éléments piézoélectriques (17). 7 - Moteur rotatif piézoélectrique, caractérisé par le fait qu'il comporte un stator (1,16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8 - Moteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un stator selon la revendication 6 et un rotor (23) qui se présente sous la forme d'un cylindre fermé à ses deux extrémités (24,25), à l'intérieur duquel le stator (16) est enfermé avec ses deux zones de 7- 2715780 friction (21) opposées en appui contre les extrémités fermées (24,25) du rotor (23). 9 - Moteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un stator selon la revendication 6 et deux rotors (37) indépendants se présentant chacun sous la forme d'un disque qui s'appuie contre la zone de friction (35) d'un des corps du stator (34).