Brevet FR2733859A1 — publié le 19961108

MOTEUR PAS-A-PAS OU SYNCHRONE ECONOMIQUE La présente invention concerne un moteur pas-àpas à commande numérique destiné en particulier à l'entraînement d'aiguilles d'instruments de mesure et d'indicateurs, tels que des instruments de bord d'automobile. De tels moteurs sont destinés à remplacer les organes moteurs commandés par des signaux analogiques, tels que des logomètres ou actionneurs à bobines croisées. De tels moteurs pas-à-pas doivent présenter un couple sans courant négligeable et un couple due au courant représenté par une fonction sinusoïdale. On recherche pour de tels moteurs une raideur mécanique élevée sur l'aiguille, pour une position théorique fixée par le rapport des courants de commande de chacune des phases, c'est à dire un important accroissement du couple de rappel à cette position théorique lorsque l'aiguille en est écartée pour une cause telle qu'un balourd d'aiguille ou un couple de frottement. Cette raideur peut être obtenue par un moteur à une seule paire de pôles associé à un réducteur mécanique, par un accroissement du nombre de pôles de moteur, ou par la combinaison d'un réducteur mécanique et d'un moteur multipolaire. De tels moteurs doivent présenter un faible coût de fabrication et on recherche donc la limitation du nombre de pièces et des tolérances de fabrication larges. Le but de l'invention est de proposer un tel moteur présentant en outre un niveau de bruit faible, une faible consommation de courant et un volume, et surtout une épaisseur réduite. On connaît dans l'art antérieur le brevet français FR2677507 décrivant un moteur comportant une première partie statorique coopérant avec au moins deux bobines électriques, une deuxième partie statorique assurant la fermeture au moins partielle des flux magnétiques et un rotor comportant 2N aimants minces aimantés transversalement en sens alternés de façon à présenter sur chacune de ses surfaces des pôles magnétiques alternativement positifs et négatifs. Le rotor comporte sur chacune de ses surfaces cinq paires de pôles et la première partie statorique est constituée de deux pièces statoriques identiques de haute perméabilité magnétique présentant chacune deux pôles statoriques réunis par une partie médiane entourée d'une bobine d'une longueur sensiblement égale à la largeur de l'ouverture de la pièce statorique.Chaque pièce statorique bobinée, avec la zone de la deuxième partie statorique fermant le flux, constitue une phase du stator du moteur diphasé. Les lignes médianes des deux pôles sont écartées d'environ 1,5 pas. La deuxième partie statorique est constituée en un matériau de haute perméabilité magnétique présentant quatre zones correspondant respectivement aux quatre pôles statoriques, lesdites quatre zones étant reliées deux à deux de façon à assurer la fermeture du flux magnétique de chacune des pièces statoriques. Un tel moteur pas-à-pas présente un seul plan de symétrie passant théoriquement par l'axe de rotation. Les deux entrefers correspondant à une phase sont situés du même coté de ce plan de symétrie et les deux entrefers correspondant à l'autre phase sont disposés de l'autre coté dudit plan. Ce moteur présente donc une certaine sensibilité à un décalage du plan de symétrie par rapport à l'axe de rotation du rotor. De plus, les efforts radiaux dus à l'induction dans les entrefers radiaux ne présentent pas une somme algébrique nulle, sauf pour des niveaux particuliers de courant. I1 peut en résulter un déplacement radial alternatif du rotor dans ses paliers engendrant du bruit. On connaît également dans l'état de la technique le brevet US5245233 concernant un moteur présentant un stator comportant quatre demi-bobines disposées symétriquement par rapport à l'axe du rotor et supportées par des noyaux en fer parallèles à l'axe du rotor. Les noyaux sont couplés magnétiquement et supportés par cette culasse. Le stator du moteur selon ce mode de réalisation présente quatre plan de symétrie passant théoriquement par l'axe de rotation. Les noyaux des bobines présentent des armatures rapportées à leurs extrémités et formant des pôles coopérant avec l'aimant. Dans ce document de l'art antérieur, les extrémités des noyaux de bobines d'une même phase, donc diamétralement opposées, sont aimantés en signes identiques par le courant. On connaît également le brevet allemand DE3918538 concernant une méthode pour commander un moteur pas-à-pas. Le procédé décrit consiste à délivrer, pour un pas à effectuer par l'induit, une séquence d'impulsions dans laquelle le rapport des durées d'impulsion et de pose dans une période (T), croit d'une impulsion à la suivante. Le nombre des impulsions de courant (m) ou leurs durées, dans la séquence est (sont) déterminé(es) en fonction de l'inertie d'un système de sorte qu'à une grande inertie correspond un petit nombre d'impulsions longues envoyées aux bobines (L1, L2) du moteur pas-à-pas tandis qu'inversement, à une faible inertie correspond un grand nombre d'impulsions finement étagées à fréquence élevée. Le moteur pas-à-pas décrit dans ce document comporte un stator présentant quatre bobines électriques et un rotor comporte une paire de pôles magnétiques. Le but de la présente invention est d'améliorer les performances de tels moteurs diphasés en proposant un moteur peu bruyant, acceptant de grandes tolérances de fabrication, et garantissant un couple en l'absence de courant négligeable et une fonction "couple-courant" de type sinusoïdal. A cet effet, l'invention concerne plus particulièrement un moteur diphasé pas-à-pas du type comportant une partie statorique formée par une culasse principale en un matériau magnétique doux relié à quatre noyaux magnétiques supportant chacun une bobine électrique, et un rotor de forme cylindrique à paroi mince présentant 2N+1 paires de pôles magnétiques aimantés radialement. L'extrémité des noyaux magnétiques est séparée du rotor seulement par un entrefer radial, deux entrefers radiaux diamétralement opposés étant alimentés par des bobines appartement à la même phase et excitant les noyaux correspondant en sens d'aimantation contraire. Le flux magnétique se referme par une culasse auxiliaire disposée du coté des aimants minces opposés aux noyaux magnétiques. Le nombre de paires de pôles magnétiques est 2N+1 avec N égal à 1 ou à 2. La variante avec N = 2 est la variante préférée car elle correspond à l'optimisation du couple par ampèretour. Contrairement au moteur décrit dans le brevet US5245233, le moteur selon l'invention ne comporte pas de pièce rapportée aux extrémités des noyaux de bobines. L'absence de telles armatures permet d'éliminer une pièce, de faciliter l'assemblage et de réduire la perméance du circuit magnétique vue par chaque phase, donc la section des noyaux de bobine, tout en gardant une très bonne modulation du champ dû au courant en fonction de la position angulaire, ce qui est favorable au couple dû au courant et à la réduction des harmoniques impairs de ce couple. Par ailleurs, la mise en oeuvre de 6 pôles, et plus particulièrement 10 pôles alternés, permet de diminuer le rapport de réduction du réducteur mécanique associé au moteur, ce qui augmente la fiabilité de l'ensemble. Les axes des extrémités des noyaux des bobines sont dans des plans radiaux contenant l'axe du rotor. Selon un mode de réalisation préféré, les axes des extrémités des noyaux sont orientés parallèlement à l'axe du rotor ou perpendiculairement à l'axe du rotor. Selon un autre mode de réalisation permettant de réduire l'épaisseur, les noyaux sont disposés radialement. Selon une première variante, la culasse auxiliaire est formée par un cylindre en un matériau magnétique doux solidaire du rotor. Selon une deuxième variante, la culasse auxiliaire est formée par un cylindre en un matériau magnétique doux fixe disposé à l'intérieur du rotor et définissant avec ce dernier un entrefer radial intérieur. Avantageusement, la culasse auxiliaire est reliée magnétiquement à la culasse principale. Selon un mode de réalisation préféré, le rotor présente sur ses surfaces cylindriques intérieure et extérieure 5 paires de pôles, soit 10 pôles aimantés radialement en sens alternés. Selon une variante de réalisation, les noyaux des bobines sont parallèles à l'axe de rotation du rotor. Avantageusement, la culasse principale est formée par une embase prolongée par quatre noyaux supportant chacun une bobine de type galette, le rotor étant articulé autour d'un axe de rotation parallèle aux noyaux passant par le centre dudit carré et étant positionné pour définir les entrefers avec les parties terminales des noyaux dépassant les bobines électriques. Selon une variante préférée, la culasse principale est formée par une embase prolongée par quatre branches perpendiculaires recourbées à 900 pour former quatre noyaux à section rectangulaire supportant chacun une bobine de type galette, le rotor étant articulé autour d'un axe de rotation parallèle aux noyaux. Selon une autre variante, la culasse principale est formée par une embase prolongée en outre par une partie cylindrique centrale, d'un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du rotor, et formant la culasse auxiliaire. Selon une autre variante, la culasse principale est formée par une embase en un matériau doux sur laquelle sont couplés magnétiquement des noyaux. Avantageusement, deux bobines opposées sont supportées par une pièce moulée en matière plastique constituée par deux corps présentant une section intérieure complémentaire de la section du noyau, lesdits corps étant reliés à une de leurs extrémités par une zone de liaison présentant un trou pour le passage de l'axe du rotor, ladite zone de liaison étant suffisamment souple pour permettre le repliement des corps de manière à ce que leurs axes centraux soient alignés lors du bobinage du fil électrique. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins annexés où: - la figure 1 représente une vue du moteur en coupe transversale ; - la figure 2 représente une vue de dessus du moteur - la figure 3 représente une vue de dessus de la culasse ; - la figure 4 représente une vue de la pièce moulée supportant les bobines. Le moteur pas-à-pas selon l'exemple décrit en référence aux figures annexées comporte une structure statorique et un rotor. La structure statorique est représentée en vue de coupe en figure 1 et en vue de dessus en figure 2. Elle comporte une culasse principale (1) en un matériau magnétique doux. Cette culasse principale (1) présente une embase (2) en forme de croix prolongée par quatre noyaux (3 à 6) s'étendant perpendiculairement à l'embase (2) et parallèlement à l'axe de rotation (7) du rotor. La figure 3 représente une vue de dessus de la culasse principale. Les noyaux (3 à 6) sont disposés aux quatre coins de l'embase (2) en forme générale de croix présentant quatre branches (8 à 11) perpendiculaires et de longueur égale, s'étendant radialement par rapport à une partie centrale (12) en forme de disque. La partie centrale est percée par un trou (13) pour recevoir un axe (7) du rotor. Cet axe est enchâssé dans la culasse. Les noyaux sont dans l'exemple décrit réalisés par déformation des branches radiales pour les redresser de 900 par rapport au plan de 1 'embase. L'extrémité (43 à 46) des noyaux (3 à 6) en regard avec l'aimant permanent mince (29) est dans l'exemple décrit dans le prolongement de la partie du noyau qui supporte une bobine électrique (14 à 17) en forme de galette. Il est également possible de réaliser un moteur de moindre épaisseur, les noyaux étant rapportés sur une embase par rivetage ou soudure, les extrémités (43 à 46) des noyaux étant repliées à 900 par rapport à la partie du noyau qui supporte une bobine électrique (14 à 17). Une autre variante encore consiste à réaliser une culasse principale comportant des noyaux disposés radialement dans le plan perpendiculaire à l'axe du rotor. Le rotor comporte un aimant cylindrique (29) équivalent à dix secteurs (18 à 28) en forme de tuiles aimantées radialement, en sens alternés de façon à présenter un pôle SUD, alternativement sur la surface intérieure et sur la surface extérieure du rotor. Chacun des secteurs aimantés occupe un secteur angulaire de 36 . L'aimant cylindrique peut être réalisé par association de parties aimantées indépendantes, ou par aimantation des différentes zones d'un anneau réalisé de préférence par moulage, par compression ou injection dans un alliage à champ coercitif élevé de néodyme-fer plastique, par exemple les aimants commercialisés sous la dénomination "NP8L" par la société DAIDO STEEL CORPORATION et fabriqués à partir de poudre commercialisée par la société GENERAL MOTORS sous la dénomination de "MQI".On peut également mettre en oeuvre un matériau à orientation radiale tel que celui commercialisé sous la dénomination de "SAMLET 9R" par la société EPSON. L'épaisseur de l'aimant est dans l'exemple décrit d'un millimètre pour une hauteur de 2 millimètres et un diamètre de l'ordre de 10 millimètres. L'entrefer formé entre les extrémités (43 à 46) de la culasse principale et la surface extérieure de l'aimant permanent mince (29) est d'environ 0,4 à 0,5 millimètres. L'aimant (29) est solidaire, dans l'exemple décrit, d'une culasse auxiliaire (30) de forme annulaire, supportée par une pièce en plastique moulée (31) présentant une couronne prolongée par un pied (32) de forme tubulaire. La couronne présente une gorge périphérique dans laquelle vient se loger la culasse auxiliaire (30) par surmoulage. Le pied tubulaire (32) forme l'arbre de rotation concentrique à l'axe (7) enchâssé dans la culasse principale. Les bobines (3 à 6) sont montées deux à deux sur des supports dont une vue agrandie est représentée en figure 4. Les supports sont constitués par des pièces en plastique moulées déformables, présentant deux parties tubulaires (34, 35) prolongées à chaque extrémité par des épaulements annulaires (36 à 39). Les épaulements annulaires supérieurs (37, 38) des parties tubulaires respectivement (34, 35) sont réunis par une partie de liaison (40) plate, percée par un trou centrale pour le passage de l'axe (7) du rotor. En repliant ce support, il est possible d'aligner les axes des parties tubulaires (34, 35), la partie de liaison se déformant alors pour adopter comme représenté en figure 4 une forme de "U". Il est alors possible de bobiner le fil de deux bobines opposées en vue de les alimenter en série sans avoir à couper le fil, en une seule opération. On remet ensuite le support en position d'utilisation, en redressant les deux parties tubulaires (34, 35) pour les rendre parallèles entre elle. La partie de liaison (40) prend alors la forme d'une languette plane réunissant dans un même plan les deux flasques inférieures (37, 38). Le moteur comporte deux supports de ce type, disposés perpendiculairement et glissés autour des noyaux (3 à 6). Les parties de liaison (40) des deux supports se chevauchent et présentent dans l'exemple décrit une surépaisseur centrale. L'invention a été décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif, et il est bien entendu que l'Homme de Métier sera à même de réaliser de nombreuses variantes sans sortir de la portée de la protection. En particulier, les noyaux peuvent être réalisés par déformation des branches d'une pièce en un matériau doux, ou encore par rivetage de noyaux indépendant sur une embase. REVENDICATIONS 1 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur, du type comportant une partie statorique formée par une culasse principale (1) en un matériau magnétique doux reliée à quatre noyaux magnétiques (3 à 6) supportant chacun une bobine électrique (14 à 17), et un rotor de forme cylindrique à paroi mince présentant 2N+1 paires de pôles magnétiques aimantés radialement, caractérisé en ce que l'extrémité des noyaux magnétiques (3 à 6) est séparée du rotor seulement par un entrefer radial, deux noyaux diamétralement opposés étant aimantés en sens contraires par des bobines (14 à 17) appartennant à la même phase, en ce que le flux magnétique se referme par une culasse auxiliaire (30) disposée du côté opposé aux noyaux magnétiques (3 à 6) par rapport à l'aimant permanent mince et en ce que le nombre de paires de pôles magnétiques de l'aimant est 2N+1 avec N égal à 1 ou 2. 2 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon la revendication principale (1) caractérisé en ce que la culasse auxiliaire (30) est formée par un cylindre en un matériau magnétique doux solidaire du rotor. 3 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon la revendication principale (1) caractérisé en ce que la culasse auxiliaire (30) est formée par un cylindre en un matériau magnétique doux fixe disposé à l'intérieur du rotor et définissant avec ce dernier un entrefer radial intérieur. 4 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rotor présente à sa surface périphérique 10 pôles aimantés en sens alternés. 5 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les extrémités (43 à 46) des noyaux (3 à 6) sont parallèles à l'axe de rotation du rotor. 6 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les noyaux (3 à 6) sont orientés radialement. 7 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la culasse principale (1) est formée par une embase (2) prolongée par quatre branches perpendiculaires recourbées à 900 pour former quatre noyaux (3 à 6) à section rectangulaire supportant chacun une bobine (14 à 17) de type galette, le rotor étant articulé autour d'un axe de rotation parallèle aux noyaux (3 à 6). 8 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que la culasse principale (1) est formée par une embase prolongée en outre par une partie cylindrique centrale, d'un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du rotor, et formant la culasse auxiliaire. 9 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entraînement de l'aiguille d'un indicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la culasse principale est formée par une embase en un matériau doux sur laquelle sont couplés magnétiquement des noyaux (3 à 6). 10 - Moteur diphasé pas-à-pas, notamment pour l'entralnement de l'aiguille d'un indicateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que deux bobines opposées sont supportées par un support en matière plastique constituée par deux corps tubulaires (34, 35) présentant une section intérieure complémentaire de la section du noyau (3 à 6), lesdits corps tubulaires (34, 35) étant reliés à une de leurs extrémités par une partie de liaison (40) présentant un trou pour le passage de l'axe du rotor, ladite partie de liaison (40) étant suffisamment souple pour permettre le repliement des corps tubulaires (34, 35) de manière à ce que leurs axes centraux soient alignés lors du bobinage du fil électrique.