Brevet FR2911935A1 — publié le 20080801

L'invention concerne une couronne d'orientation à moteur de rotation intégré, comprenant deux bagues. montées en rotation l'une par rapport à l'autre par l'intermédiaire d'éléments roulants disposés annulairement autour de l'axe de rotation de la couronne, et un moteur de rotation comprenant une partie de stator fixée à l'une des bagues, qui est fixe, et une partie de rotor fixée à l'autre bague, qui est rotative. La bague rotative présente au moins une première zone périphérique usinée définissant un chemin de roulement pour des éléments roulants, une seconde zone périphérique recevant un support de moyens de repérage de la position angulaire de la partie de rotor par rapport à la partie de stator, les dits moyens étant adaptés à coopérer avec des moyens de repérage de position complémentaires portés par la bague fixée à la partie de stator, et une troisième zone périphérique recevant un support pour des aimants appartenant à ladite partie de rotor du moteur. Un dispositif de ce genre est décrit dans le US 4,465,951 pour un satellite de communication. Ce dispositif comporte deux rangées d'éléments roulants, qui sont des billes, entre lesquelles sont situés les supports respectifs des moyens de repérage de position angulaire et des aimants du moteur de rotation. Toutefois, ce dispositif, prévu pour entraîner, avec un couple moteur très faible, un rotor qui tourne à vitesse sensiblement constante, n'est pas adapté aux conditions sévères habituelles d'utilisation des couronnes d'orientation à moteur de rotation intégré, pour lesquelles, comme par exemple dans le cas de robots, il faut supporter des variations importantes de vitesse, dans un sens ou dans l'autre, ainsi que des efforts mécaniques importants résultant des charges, axiales ou radiales, et des couples de renversement transmis d'une bague à l'autre d'une telle couronne. Par ailleurs, des structures de couronnes d'orientation ont déjà été proposées. Ainsi, dans EP 402 240 conseille-t-on de recourir à deux rangées espacées d'éléments roulants disposées entre les deux bagues, avec un moteur disposé entre ces deux rangées d'éléments roulants. Les éléments roulants sont soit des billes, soit des rouleaux à contact oblique et à disposition en C (angles de contact divergents pour les rouleaux des deux rangées). Une autre solution proposée dans DE 3 213 172 prévoit l'utilisation d'un seul palier annulaire utilisant des éléments roulants à billes. Toutefois, des paliers lisses sont prévus pour permettre une rotation optimale sans vibrations du rotor 20 cylindrique du moteur. Enfin, le EP 0 245 590 décrit une couronne d'orientation comportant un palier unique à deux rangées de galets accolées, dans laquelle les portions en porte-à faux des deux bagues portant respectivement les éléments 25 de rotor et de stator du moteur comprennent des conformations respectives adaptées à venir en contact l'une avec l'autre en cas de déformation pour éviter un contact entre les éléments de rotor et de stator du moteur. 30 Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des dispositifs connus, et de proposer une couronne d'orientation de structure simple et légère présentant un encombrement limité en direction axiale comme en direction radiale, tout en permettant de répondre à tous les besoins des utilisateurs en matière de variation de la vitesse de rotation, résistance aux déformations sous charge, et en présentant des caractéristiques excellentes en matière de précision de positionnement et de reproductivité de ces positionnements dans le temps. Dans ce contexte, l'invention a pour objet de 10 prendre en compte les considérations ou problèmes suivants . -asservissement précis en couple ou en position entre les deux bagues à entraîner ou positionner, l'une par rapport à l'autre, 15 - entraînement en rotation de la bague mobile avec une grande rigidité tant statique que dynamique, - adaptation d'une vitesse continue variable, en particulier à très basse vitesse ou en position fixe, - précision des mouvements de rotation permettant, 20 le cas échéant, une répétitivité de positions dans le temps, par exemple pour un robot, - réalisation d'un moteur couple à grande rigidité axiale, avec un jeu en rotation quasi inexistant, -possibilité pour la couronne de supporter des 25 charges importantes, tout en assurant un positionnement ou un déplacement relatif entre les pièces particulièrement précis, - diminution du poids de l'encombrement et du prix de revient. 30 En vue d'atteindre tout ou partie de ces buts et d'apporter une solution performante aux problèmes évoqués, l'invention propose tout d'abord, sur la couronne d'orientation précitée, les perfectionnements suivants: - la seconde zone périphérique de la bague rotative est agencée de façon telle qu'elle définit un support pour une bande de repérage de position qui est fixée directement sur cette seconde zone, - et la troisième zone périphérique de cette bague rotative est agencée de manière telle qu'elle définit un support pour les aimants qui sont fixés directement sur cette troisième zone. Ainsi, les trois zones périphériques étant usinées sur la même machine, on obtient une concentricité optimale entre le support de la bande de repérage de position angulaire, le support des aimants et la portée des éléments roulants, en supprimant tout risque d'addition de tolérances d'usinage et d'assemblage existant dans les dispositifs précédents. Ceci va à l'encontre des pratiques habituelles dans l'industrie, selon lesquelles les éléments de rotor et de stator du moteur sont réalisés et assemblés chez le motoriste, qui est seul responsable des caractéristiques électriques et mécaniques de ses assemblages, et sont expédiés chez le constructeur de la couronne d'orientation, qui est un mécanicien capable de maîtriser uniquement des tolérances d'usinage et d'assemblage entre elles de diverses pièces mécaniques. Cette excellente concentricité a ainsi un effet très positif à la fois sur la précision et la répétitivité des positions angulaires, et sur la précision de réalisation de l'entrefer entre les éléments de stator et les éléments du rotor du moteur de rotation. En outre, dans DE 3 213 172, l'utilisation de roulements sphériques à billes est considérée comme la solution la plus appropriée sur des dispositifs supportant de fortes charges, telles que des tourelles de chars d'assaut, en ce que ceci permet d'éviter des problèmes de moments d'inertie. Toutefois des paliers lisses sont nécessaires pour éviter les vibrations. Quant à la solution de EP 402 240, elle est présentée comme évitant les problèmes de variation de l'entrefer du moteur rencontrés avec une disposition en porte-à-faux de ce moteur. Or, l'invention conseille au contraire, selon une autre caractéristique, que les éléments roulants soient disposés annulairement suivant une seule rangée, et que la bande de repérage de position angulaire soit située axialement d'un côté de la rangée d'éléments roulants, les aimants du rotor étant disposés de l'autre côté de ladite rangée. De préférence, les éléments roulants comprendront des rouleaux à contact oblique disposés alternativement suivant des directions d'inclinaison sensiblement opposées par rapport à la direction de l'axe de la couronne. Ceci est contraire à l'enseignement de l'art antérieur selon lequel une rangée unique d'éléments roulants sans moyens complémentaires de maintien de la bague rotative rigoureusement dans l'axe de la bague fixe ne peut pas constituer une solution satisfaisante pour faire face aux conditions exigeantes d'utilisation des couronnes d'orientation. Utiliser une seule couronne à rangée unique d'éléments roulants, disposés donc favorablement obliquement alternativement vers l'intérieur et vers l'extérieur de la couronne, doit permettre d'éviter d'avoir recours à deux couronnes décalées axialement suivant deux rayons différents par rapport à l'axe de rotation de la couronne d'orientation, comme dans EP 402 240 où le coût de réalisation de la couronne est forcément plus élevé, tout en améliorant les conditions de fonctionnement des couronnes d'orientation connues, tant en termes de stabilité et précision d'entraînement ou de positionnement, que de fiabilité et de performance du moteur en lui-même. Selon encore d'autres caractéristiques intéressantes de l'invention: - les parties de rotor et de stator du moteur de rotation présentent une direction d'allongement parallèle à l'axe de la couronne, et les enroulements de la partie de stator sont disposés suivant un rayon moyen proche de celui des éléments roulants de la couronne d'orientation, et/ou - la bande de repérage est disposée à proximité immédiate de la rangée d'éléments roulants, et/ou - la bande de repérage est disposée de façon telle que sa surface périphérique en regard du capteur de position a un rayon sensiblement égal au rayon moyen des éléments roulants. Une telle disposition optimise la précision de l'entraînement en rotation et/ou le positionnement relatif entre les pièces. Selon une autre caractéristique intéressante, la couronne comprend en outre un bâti structurel sur lequel sont fixées respectivement la partie de stator du moteur et la bague fixe, ce bâti structurel comportant avantageusement un circuit de refroidissement adapté à recevoir un fluide de refroidissement, et étant de préférence réalisé en un métal ou alliage bon conducteur de la chaleur. En outre, on conseille que la bague dite rotative, à laquelle est donc fixée la partie de rotor, porte un disque de frein adapté à coopérer avec des mâchoires de frein portées par la bague fixe. On va ainsi pouvoir assurer un fonctionnement 10 optimisé du moteur, en particulier en liaison avec la présence d'aimants sur la partie de rotor et de bobines sur la partie de stator. Ceci permet aussi d'apporter une solution de contrôle efficace de la température de fonctionnement, 15 avec une solution compacte et à coût maîtrisé. La maîtrise de la température doit en particulier permettre d'obtenir une augmentation de la puissance disponible du moteur. Favorablement le bâti structurel sera réalisé en 20 un alliage léger présentant un coefficient de conduction thermique supérieur à celui de l'acier. Une description encore plus détaillée d'un mode préféré de réalisation va maintenant être fournie en liaison avec des dessins illustratifs donnés à titre 25 d'exemples non limitatifs et dans lesquels : - la figure 1 correspond, à gauche, à une demi-vue en coupe diamétrale, et à droite à une demi-vue extérieure de face, d'une couronne d'orientation selon un mode de réalisation de la présente invention ; 30 -la figure 2 est une vue en perspective de la bague rotative du mode de réalisation de la figure 1, avec les éléments roulants mais sans les aimants. - la figure 3 une vue agrandie, partiellement éclatée, de la bague rotative de la figure 2, portant les éléments roulants, les aimants et la bande de repérage de position, - la figure 4 est une demi-vue en coupe axiale agrandie de la bague rotative de la figure 2, les éléments roulants ayant été retirés pour la clarté de la figure ; Figures 1 et 2, le repère 1 correspond donc à une 10 couronne d'orientation à moteur intégré conforme à l'invention. Cette couronne d'orientation présente un axe principal de rotation 3 autour duquel tourne la bague rotative avec les éléments roulants 7 et la partie mobile 15 du moteur électrique 5 dent cette couronne d'orientation est équipée. Dans l'exemple décrit cidessous et représenté aux figures, la bague rotative 11 est la bague intérieure qui présente, sur sa surface périphérique extérieure, au 20 moins une première zone périphérique usinee lla définissant un chemin de roulement pour des éléments roulants 7, une seconde zone périphérique llb agencée de façon telle qu'elle définit un support pour une bande de repérage de position angulaire 22 qui est fixée 25 directement sur cette seconde zone llb, et une troisième zone périphérique llc qui est agencée de manière telle qu'elle définit un support pour les aimants 5b qui sont fixés directement sur cette troisième zone llc de la bague. 30 La bague fixe 9 est la bague extérieure qui est fixée sur un bâti structurel 13 (voir plus loin). Il est bien entendu que l'invention et toutes ses caractéristiques concernent de la même manière une couronne d'orientation dont la bague fixe serait la bague intérieure, solidaire des éléments de stator du moteur, la bague extérieure étant la bague rotative portant sur sa surface périphérique intérieure les trois zones périphériques usinées précitées (mode de réalisation non représenté). Le moteur décrit dans l'exemple ci-dessous est un moteur couple classique sans balai comportant un rotor portant des barreaux aimantés et un stator comportant des enroulements parcourus par un courant électrique pour créer un champ magnétique, d'une façon classique connue qu'il est inutile de décrire en détail ci-dessous. Ce champ magnétique permet de résister à une rotation autour de l'axe 3, ou au contraire d'autoriser le déplacement souhaité en rotation de l'une des bagues à positionner ou à entraîner par rapport à l'autre, jusqu'à assurer le positionnement relatif recherché. Le moteur électrique 5 comprend une partie de stator 5a et une partie de rotor 5b. Ces deux parties de rotor et de stator forment deux structures annulaires disposées concentriquement autour de l'axe central de rotation 3, avec la partie de stator 5a autour de la partie de rotor 5b. La partie de rotor comprend une succession de barreaux aimantés 5b1 (figure 1), montés tournants en face et à l'intérieur de bobines 5àl (figure 1), appartenant à la partie de stator 5a. En 6, figure 1, on voit le câblage d'alimentation électrique des bobines du stator 5a. La surface périphérique extérieure de la troisième zone périphérique lic de la bague rotative 11 est usinée de façon à permettre un positionnement très précis des aimants 5b1. Dans l'exemple représenté, correspondant au cas où les aimants ont une face d'intrados plane à fixer sur cette surface périphérique, cette dernière peut être usinée de manière à présenter une succession de facettes planes 11c1, à raison d'une facette par aimant. Chaque facette est évidemment située dans un plan parallèle à l'axe 3 de la couronne et tangent extérieurement à un cylindre ayant pour axe l'axe 3 et pour rayon la plus courte distance, identique pour toutes les facettes et donc pour tous les aimants, entre l'axe 3 et chaque facette : les aimants se trouvent ainsi tous à la même distance de l'axe 3, et sont fixés chacun sur la facette correspondante d'une manière connue quelconque, par exemple par collage. D'autres formes de réalisation de cette surface périphérique sont possibles et peuvent être choisis par l'homme du métier en fonction des conditions d'exploitation et/ou de construction prévues pour la couronne De façon comparable, les bobines 5al du stator 5a sont fixées, d'une manière connue quelconque, sur la surface périphérique intérieure 13a, qui est usinée en conséquence, du bâti structurel 13 sur lequel est fixée la bague extérieure fixe 9. Dans le présent exemple, la bague 9 a une hauteur en direction axiale sensiblement juste suffisante pour constituer par sa surface périphérique intérieure la piste extérieure des éléments roulants 7. Dans l'exemple représenté, les éléments roulants 7 sont disposés suivant une seule rangée, la bande 22 de repérage de position angulaire est située axialement d'un côté, au-dessus aux figures, de la rangée des éléments roulants 7, les aimants 5b1 du rotor 5b étant disposés de l'autre côté, au-dessous aux figures, de la dite rangée. Les éléments roulants comprennent dans cet exemple des rouleaux à contact oblique 7a, 7b disposés alternativement, dans un plan radial correspondant, suivant des directions d'inclinaison respectives de leur axe 70a, 70b, sensiblement opposées par rapport à la direction 50 de l'axe de rotation 3 de la couronne 1. Ainsi, à la figure 3, on a représenté, pour un rouleau 7b, un demi-axe 70b dirigé vers le haut et vers l'intérieur par rapport à la direction 50. De même, on a représenté, pour un rouleau 7a, un demi-axe 70 a dirigé vers le haut et vers l'extérieur par rapport à la direction 50. Les angles faits, dans le plan radial correspondant, entre la direction 50 et le demi-axe 70a d'une part, le demi-axe 70b, d'autre part, ont évidemment même valeur absolue mais des sens opposés. Un tel ensemble de rouleaux d'inclinaisons opposées alternées est connu en soi et n'a pas besoin d'être décrit en détail. En général, le couple d'entraînement exigé par l'utilisateur d'une couronne d'orientation à moteur intégré de ce type impose pour cette couronne un diamètre minimum relativement important. Le nombre d'éléments roulants requis pour une couronne d'un tel diamètre est alors tel que cette couronne est capable de supporter des efforts et des moments qui sont le plus souvent très supérieurs aux efforts et moments qu'elle doit réellement supporter. L'homme du métier sait alors choisir le type (forme, dimensions) et le nombre d'éléments roulants 5 correspondant au mieux aux conditions d'utilisations prévues. De façon connue, les parties de rotor 5b et de stator 5a du moteur 5 présentent une direction d'allongement parallèle à l'axe 3 de rotation de la 10 couronne. Elle présente suivant cette direction une longueur calculée pour obtenir du moteur 5 la puissance nécessaire pour respecter les caractéristiques techniques requises pour une utilisation prédéterminée de la couronne. 15 Les rouleaux 7a, 7b étant disposés selon un rayon moyen R1 autour de l'axe 3 de rotation de la couronne, les bobines 5al sont disposées selon un rayon moyen R2 proche du rayon R1, tandis que les aimants 5bl sont disposés de manière à ménager, lorsque la couronne est 20 immobile, un entrefer prédéterminé (non représenté) en fonction des conditions d'exploitation prévues de la couronne. Cette disposition permet d'obtenir un champ magnétique dirigé tangentiellement selon un rayon moyen 25 proche de R1. La seconde zone périphérique usinée llb est usinée de manière telle que la bande de repérage de position 22, qui est une bande classique connue, est disposée à proximité immédiate de la rangée des rouleaux 7a, 7b, de 30 façon telle que sa surface périphérique extérieure 22a, qui fait face au capteur de position 23, a un rayon R3 sensiblement égal au rayon moyen Rl des rouleaux 7a, 7b. On obtient ainsi une précision de positionnement de la bague rotative 11 qui est le moins possible perturbée par d'éventuelles déformations de la couronne en fonctionnement. La bande de repérage de position 22 est une bande connue, par exemple magnétique ou optique. Le capteur de position 23 est un capteur connu adapté à coopérer avec la bande 22 pour obtenir la précision requise de positionnement de la bague rotative 11 par rapport à la bague fixe 9. Comme schématisé à la figure 1, la couronne 1 comprend un bâti structurel 13 sur lequel sont fixées la bague fixe 9 et les bobines 5al du stator 5a. Le bâti structurel 13 comporte avantageusement un circuit interne de refroidissement, schématisé en 15, adapté à recevoir un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, circulant dans un circuit de refroidissement extérieur, schématisé en 17 et comportant un échangeur, schématisé en 19 : un tel circuit permet d'évacuer la chaleur produite par le courant électrique circulant dans les bobines 5al et d'améliorer ainsi les performances du moteur 5. Le bâti structurel 13 est avantageusement réalisé en un métal ou alliage bon conducteur de la chaleur, par exemple en aluminium ou en alliage d'aluminium, de manière à faciliter le transfert de chaleur entre les bobines 5al et le fluide de refroidissement circulant dans le circuit 15. La couronne 1 comporte avantageusement un frein 24, par exemple un frein électromagnétique, notamment un frein électromagnétique à déclenchement par perte d'énergie, capable d'exercer un couple de maintien en position important et d'assurer la sécurité du système en cas de coupure accidentelle de l'alimentation. Comme schématisé à la figure 1, la bague rotative 11 porte un disque de frein 25 qui est fixé à proximité immédiate des rouleaux 7a, 7b et de la bande 22 de repérage de la position. Le disque de frein 25, d'un type connu quelconque, est adapté à coopérer avec des mâchoires de frein, schématisées en 26, portées par la bague fixe 9 et/ou le bâti structurel 13. On a ainsi décrit une structure de cduronne d'orientation simple et économique, de dimensions limitées, permettant de répondre efficacement aux exigences les plus sévères des utilisateurs d'une telle couronne, en matière de précision et de répétitivité de positionnement de la bague rotative comme en matière de vitesse et d'accélération de rotation. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation que l'on vient de décrire, et on peut effectuer sur celui-ci de nombreux changements et modifications, notamment au niveau du diamètre et de la hauteur, sans sortir du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Couronne d'orientation (1) à moteur de rotation intégré, comprenant deux bagues (9, 11) montées en rotation l'une par rapport à l'autre par l'intermédiaire d'éléments roulants disposés annulairement autour de l'axe de rotation (3) de la couronne, et un moteur (5) de rotation comprenant une partie de stator (5a) fixée à l'une des bagues (9), qui est fixe, et une partie de rotor (5b) fixée à l'autre bague (11), qui est rotative, cette bague rotative (11) présentant au moins une première zone périphérique usinée (lla) définissant un chemin de roulement pour des éléments roulants (7), une seconde zone périphérique usinée (llb) recevant un support de moyens de repérage de la position angulaire de la bague rotative (11) par rapport à la bague fixe (9), lesdits moyens étant adaptés à coopérer avec des moyens de repérage complémentaires portés par la bague fixe (9), et une troisième zone périphérique usinée (11c) recevant un support pour des aimants (5bl) appartenant à ladite partie de rotor (5b) du moteur, caractérisée en ce que la seconde zone périphérique (11b) est agencée de façon telle qu'elle définit un support pour une bande (22) de repérage de position qui est fixée directement sur ladite seconde zone, et en ce que la troisième zone périphérique (llc) est agencée de manière telle qu'elle définit un support pour lesdits aimants (5bl) qui sont fixés directement sur cette troisième zone. 2. Couronne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments roulants (7) sont disposés annulairement suivant une seule rangée, et en ce que labande (22) de repérage de position angulaire est située axialement d'un côté de la rangée d'éléments roulants (7), les aimants (5bl) du rotor (5b) étant disposés de l'autre côté de ladite rangée. 3. Couronne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments roulants comprennent des rouleaux (7a, 7b) à contact oblique disposés alternativement suivant des directions d'inclinaison (70a, 70b) sensiblement opposées par rapport à la direction de l'axe (3) de la couronne. 4. Couronne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parties de rotor (5b) et de stator (5a) du moteur (5) de rotation présentent une direction d'allongement (50) parallèle à l'axe (3) de la couronne, et de préférence les enroulements (5al) de la partie de stator sont disposés selon un rayon moyen (R2) proche de celui (R1) des éléments roulants (7) de la couronne d'orientation. 5. Couronne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bande de repérage (22) est disposée à proximité immédiate de la rangée d'éléments roulants (7). 6. Couronne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bande de repérage (22) est disposée de façon telle que sa surface périphérique (22a) en regard du capteur de position (23) a un rayon (R3) sensiblement égal au rayon moyen (Rl) des éléments roulants (7). 7. Couronne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un bâti structurel (13) sur lequel sont fixées respectivement la partie de stator (5a) du moteur(5) et la bague fixe (9), ce bâti structurel (13) comportant avantageusement un circuit interne de refroidissement (15) adapté à recevoir un fluide de refroidissement, et étant de préférence réalisé en un métal ou alliage bon conducteur de la chaleur. 8. Couronne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bague rotative (11) à laquelle est fixée la partie de rotor (5b) porte un disque (25) de frein (24) adapté à coopérer avec des mâchoires (26) de frein portées par la bague fixe (9), la bande (22) de repérage de position angulaire étant avantageusement située entre le disque (25) de frein et la rangée d'éléments roulants (7).