Brevet FR3157713A1 — publié le 20250627

Moteur pas-à-pas comprenant un stator (1) pourvu d’une pluralité de premières dents (10), un rotor (2) monté pour pivoter dans le stator (1) et pourvu d’une pluralité de deuxièmes dents (20), et une pluralité d’enroulements électromagnétiques (30) pour définir des pôles statoriques, chaque dent (10, 20) comportant deux flancs (11, 21) convergeant l’un vers l’autre vers un sommet (12, 22) de chaque dent (10, 20). Chaque flan (11, 21) a un profil de dent d’engrenage. Procédé de réalisation d’un tel moteur. FIGURE DE L’ABREGE : Fig.2 Moteur pas-à-pas à denture d’engrenage et procédé de fabrication. La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques et plus particulièrement les moteurs pas-à-pas. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Les moteurs pas-à-pas sont des moteurs synchrones à courant continu qui comprennent (voir la FIG. 1 illustrant schématiquement un tel moteur en coupe par un plan diamétral) : - un stator 1 pourvu de premières dents 10 et d’une pluralité d’enroulements électromagnétiques 30 pour définir des phases, - un rotor 2 monté pour pivoter dans le stator 1 et pourvu de deuxièmes dents 20. Le principe de fonctionnement de ces moteurs consiste généralement à alimenter successivement les enroulements électromagnétiques pour créer deux pôles statoriques à 90° l’un de l’autre de manière à engendrer des champs magnétiques tendant à faire pivoter le rotor pour que des deuxièmes dents du rotor soient alignées avec les premières dents au niveau des pôles. Il existe également des moteurs pas-à-pas unipolaires. Plusieurs technologies de moteurs pas-à-pas coexistent : les moteurs pas-à-pas à aimants permanents (le rotor porte les aimants permanents positionnés pour avoir une alternance de pôles nord et sud), les moteurs pas-à-pas à reluctance variable (le rotor est en fer doux), et les moteurs pas-à-pas hybrides combinant les deux précédentes technologies. L’une des principales difficultés pour réaliser les moteurs pas-à-pas concerne la fabrication des dents, notamment pour les moteurs pas-à-pas de faible diamètre (typiquement moins de 50 millimètres) et avec un pas angulaire (ou pas dentaire) inférieur à 10° environ. On comprend que plus le nombre de dents est important pour un diamètre donné et plus la fabrication est difficile. En effet, chaque dent 10, 20 a normalement deux flancs 11, 21 plans et inclinés par rapport au rayon d’un angle de dent α, une longueur de dent l mesurée au sommet 12, 22 et est séparée des dents adjacentes par un pas dentaire p (voir la FIG. 3 qui montre des dents d’un moteur pas-à-pas de l’art antérieur, en coupe par un plan transversal). Ces dimensions doivent être précises car des écarts sur quelques dents risquent de court-circuiter le circuit-magnétique du moteur et entraîner un couple moins important et instable lors d’une révolution du rotor. Les fabricants contrôlent donc ces différentes dimensions sur les moteurs pas-à-pas qu’ils fabriquent mais ces dimensions n’étant pas normalisées, ils utilisent des méthodes de contrôle différentes augmentant le risque d’avoir des variations de performances relativement importantes entre des moteurs pas-à-pas correspondant à un même dimensionnement théorique. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but de remédier au moins en partie aux inconvénients précités. A cet effet, on prévoit, selon l’invention un moteur pas-à-pas comprenant un stator pourvu d’une pluralité de premières dents, un rotor monté pour pivoter dans le stator et pourvu d’une pluralité de deuxièmes dents, et une pluralité d’enroulements électromagnétiques pour définir des pôles statoriques, chaque dent comportant deux flancs convergeant l’un vers l’autre vers un sommet de chaque dent, chaque flan ayant un profil de dent d’engrenage. Le sommet peut avoir la forme d’une surface ou d’une ligne formant une arête de raccordement des deux flans l’un à l’autre. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un moteur pas-à-pas, comprenant une étape de fabrication de premières dents sur un stator du moteur et une étape de fabrication de deuxièmes dents sur un rotor du moteur, les dents étant fabriquées par un procédé d’usinage d’engrenage pour avoir un profil de dent d’engrenage. Ainsi, la formation des dents du stator et du rotor en profil de dent d’engrenage facilite leur fabrication et leur contrôle dimensionnel et géométrique, et ce d’autant plus qu’existent des machines de taillage d’engrenages très précises et que la plupart de ces profils sont normalisés. Il est possible d’adapter le profil en dent d’engrenage pour qu’il coïncide exactement avec le profil idéal d’un point de vue magnétique. Quoi qu’il en soit, la précision qu’il est possible d’obtenir lors de la réalisation du profil peut même compenser le fait que le profil en dent d’engrenage choisi ne coïncide pas exactement avec le profil idéal d’un point de vue magnétique. Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison : le profil de dent d’engrenage est une développante de cercle ; le procédé comprend l’étape préalable de déterminer un profil idéal d’un point de vue magnétique et de déterminer pour le stator et le rotor un nombre de dents, un module de denture et un déport de denture tel que les dents ont un profil de dent d’engrenage le plus proche possible du profil idéal d’un point de vue magnétique ; le procédé comprend une étape ultérieure de contrôle de denture du stator et du rotor, l’étape ultérieure de contrôle de denture comprenant une comparaison du profil de chaque dent avec un profil théorique de dent d’engrenage et/ou une mesure d’une hélice du profil de chaque dent et/ou une mesure d’une erreur angulaire entre au moins deux dents adjacentes et/ou une comparaison d’un profil de contact de chaque dent avec un profil de contact théorique. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 illustre schématiquement un moteur pas-à-pas de l’art antérieur, en coupe par un plan transversal ; FIG. 2 la FIG. 2 illustre schématiquement un moteur pas-à-pas selon l’invention, en coupe par un plan transversal ; FIG. 3 la FIG. 3 est une vue agrandie de détail des dents d’un moteur pas-à-pas de l’art antérieur, en coupe par un plan transversal ; FIG. 4 la FIG. 4 est une vue agrandie de détail d’une dent d’un moteur pas-à-pas de l’invention, en coupe par un plan transversal ; FIG. 5 la FIG. 5 est une vue partielle du rotor d’un moteur pas-à-pas de l’invention, en coupe par un plan transversal ; FIG. 6 la FIG. 6 montre des courbes de mesure de profil de dents selon la méthode de contrôle mise en œuvre dans le procédé de fabrication de l’invention ; FIG. 7 la FIG. 7 montre des courbes de mesure d’hélice de dents selon la méthode de contrôle mise en œuvre dans le procédé de fabrication de l’invention ; FIG. 8 la FIG. 8 montre des courbes de mesure d’une erreur individuelle de division et d’une erreur cumulée de division de la denture selon la méthode de contrôle mise en œuvre dans le procédé de fabrication de l’invention ; FIG. 9 la FIG. 9 montre une courbe de contrôle du profil de contact d’une denture selon la méthode de contrôle mise en œuvre dans le procédé de fabrication de l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence aux figures 2, 4, 5, le moteur pas-à-pas selon l’invention comprend un stator 1 pourvu d’une pluralité de premières dents 10, un rotor 2 monté pour pivoter dans le stator 1 et pourvu d’une pluralité de deuxièmes dents 20, et une pluralité d’enroulements électromagnétiques 30 pour définir des pôles statoriques. Cette structure, les matériaux utilisés pour fabriquer le stator 1 et le rotor 2, et le fonctionnement du moteur pas-à-pas sont connus en eux-mêmes et ne seront pas plus décrits ici. Le stator est par exemple formé de tôles magnétiques en fer cobalt, en fer nickel ou en fer silicium. Le rotor est par exemple formé d’un bloc massif de fer cobalt, de fer nickel ou de fer silicium. Chaque dent 10, 20 comportant deux flancs 11, 21 convergeant l’un vers l’autre vers un sommet 12, 22 de chaque dent 10, 20. Selon l’invention, chaque flan 11, 21 a un profil de dent d’engrenage. De préférence, le profil de dent d’engrenage est une développante de cercle. On rappelle que les profils de dents d’engrenage sont connus en eux-mêmes dans le domaine de la transmission de mouvement : lorsque deux roues à denture droite tournent en engrenant l’une avec l’autre, deux dents sont en contact chacune par un flanc le long d’une ligne, parallèle à l’axe de rotation, se déplaçant parallèlement à elle-même le long du profil du flanc de chaque dent : les profils des deux dents en contact ont à chaque instant une normale commune sur la ligne de contact. Dans l’invention, on a compris que les dents 10, 20 ne viennent jamais en contact les unes avec les autres. Le profil en dent d’engrenage est mis à profit uniquement pour sa facilité de réalisation avec les machines existant pour la fabrication des engrenages et sa facilité de contrôle avec les méthodes de contrôle existant pour le contrôle dimensionnel et géométrique des engrenages. A titre d’exemple, le moteur pas-à-pas a un diamètre inférieur à 100 mm et une précision angulaire comprise entre 100 et 200 pas par tour soit entre 3,6° et 1,8°. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un moteur pas-à-pas comprenant : des étapes, connues en elles-mêmes, de fabrication d’une ébauche de stator et d’une ébauche de rotor, une étape de fabrication de premières dents 10 sur l’ébauche de stator pour former le stator 1, une étape de fabrication de deuxièmes dents 20 sur l’ébauche de rotor pour former le rotor 2. Selon l’invention, les dents 10, 20 sont ici fabriquées par un procédé de taillage d’engrenage pour avoir un profil de dent d’engrenage. Le procédé de taillage d’engrenage ici utilisé est un procédé de taillage par génération et plus particulièrement un procédé de taillage par fraise-mère. Le procédé comprend l’étape préalable de déterminer un profil idéal d’un point de vue magnétique (voir le profil P sur la FIG. 4 ) et de déterminer pour le stator 1 et le rotor 2 un nombre de dents 10 et 20, un module de denture et un déport de denture tel que les dents 10, 20 ont un profil de dent d’engrenage le plus proche possible du profil idéal d’un point de vue magnétique P. Le profil idéal de dent d’un point de vue magnétique minimise les frottements (générés par le magnétisme) tout en maximisant le couple utile (en statique et en dynamique). Le procédé selon l’invention comprend, après les étapes de fabrication, une étape ultérieure de contrôle de denture. Le contrôle est ici mis en œuvre en utilisant les normes AGMA (American Gear Manufacturing Association). L’étape de contrôle permet de rendre plus robuste et fiable le procédé de fabrication. Bien entendu, d’autres normes peuvent être utilisées comme les normes ISO (International Standard Organisation) et API (American Petrol Institute). L’étape ultérieure de contrôle de denture comprend une comparaison du profil de chaque dent 10, 20 avec un profil théorique de dent d’engrenage (voir la figure 6). On a représenté sur la figure 5 : en trait fort le profil réel des dents 20 du rotor 2 et en trait pointillé le profil de dent d’engrenage théorique référencé P’. Le profil de dent d’engrenage théorique P’ présente un pas théorique de denture et un pas cumulé sur k dents tandis que le profil réel des dents 20 du rotor 2 présente un écart individuel f pt par rapport au pas théorique de denture et un écart cumulé sur k dents F pk . Une erreur de profil a un impact direct sur les performances du moteur. L’étape ultérieure de contrôle de denture comprend également une mesure d’une hélice du profil de chaque dent 10, 20 (voir la FIG. 7 ). Les dents 10, 20 sont taillées pour être droites c’est-à-dire que leurs flancs ont des génératrices parallèles à l’axe de rotation du rotor 2 (dit autrement, les génératrices ont un angle nul par rapport à l’axe de rotation). Si les génératrices ont un angle non nul par rapport à l’axe de rotation, le couple maximal engendré par le moteur subit une diminution dont la valeur dépend dudit angle. L’étape ultérieure de contrôle de denture comprend également une mesure d’une erreur angulaire entre au moins deux dents 10, 20 adjacentes (erreur appelée également erreur de division – voir la FIG. 8 ). L’erreur angulaire mesurée est l’écart individuel f pt et l’écart cumulé sur k dents F pk . Ces écarts peuvent engendrer des harmoniques de couple indésirables et il convient donc de les maintenir à un minimum déterminé en fonction des performances attendues du moteur. L’étape ultérieure de contrôle de denture peut comprendre une comparaison du profil de chaque dent 10, 20 avec le profil théorique de dent d’engrenage P’ sur un tour complet (voir la FIG. 9 ). Ceci permet de contrôler à la fois la forme des dents 10, 20 et la circularité du stator 1 et du rotor 2. Les écarts de denture et les écarts de circularité ont un impact sur le flux magnétique passant entre le stator 1 et le rotor 2 et donc sur les performances du moteur. Cette comparaison permet de réduire le nombre de contrôles et fournit : les écarts de denture f pt et F pk ; une tolérance entre un minimum et un maximum de circularité ; une tolérance sur les variations d’oscillation du profil qui sont liées à la forme des dents. Le procédé de fabrication selon l’invention permet une fabrication rapide, utilisant des outils et des méthodes éprouvées de fabrication et de contrôle des pièces fabriquées en limitant ainsi les rebuts et les reprises d’usinage visant à corriger les erreurs. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, le stator et le rotor peuvent avoir des formes et dimensions différentes notamment en ce qui concerne le nombre de dents et les dimensions. En variante, le taillage des dents peut être réalisé par un autre procédé et par exemple par un outil crémaillère ou un outil pignon ou par un taillage sans génération. Il est possible de réaliser la denture aussi par poinçonnage, découpage laser, découpe par électroérosion. Les stators et rotors peuvent avoir une structure massive ou être réalisés par empilage de tôles (les tôles empilées sont fixées les unes aux autres par exemple par collage). Dans ce dernier cas, la denture est de préférence découpée dans les tôles et le contrôle de précision de la denture est réalisée après empilage/fixation des tôles les unes aux autres. En variante, on peut aussi contrôler la denture sur chacune des tôles individuellement. Tout ou partie des contrôles peuvent être omis. Les contrôles mentionnés ci-dessus sont facultatifs et peuvent être omis en tout ou partie. Moteur pas-à-pas comprenant un stator (1) pourvu d’une pluralité de premières dents (10), un rotor (2) monté pour pivoter dans le stator (1) et pourvu d’une pluralité de deuxièmes dents (20), et une pluralité d’enroulements électromagnétiques (30) pour définir des pôles statoriques, chaque dent (10, 20) comportant deux flancs (11, 21) convergeant l’un vers l’autre vers un sommet (12, 22) de chaque dent (10, 20), caractérisé en ce que chaque flan (11, 21) a un profil de dent d’engrenage. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, dans lequel le profil de dent d’engrenage est une développante de cercle. Procédé de réalisation d’un moteur pas-à-pas, comprenant une étape de fabrication de premières dents (10) sur un stator (1) du moteur et une étape de fabrication de deuxièmes dents (20) sur un rotor (2) du moteur, caractérisé en ce que les dents (10, 20) sont fabriquées par un procédé d’usinage d’engrenage pour avoir un profil de dent d’engrenage. Procédé selon la revendication 3, comprenant l’étape préalable de déterminer un profil idéal d’un point de vue magnétique (P) et de déterminer pour le stator (1) et le rotor (2) un nombre de dents (10, 20), un module de denture et un déport de denture tel que les dents (10, 20) ont un profil de dent d’engrenage le plus proche possible du profil idéal d’un point de vue magnétique (P). Procédé selon la revendication 3 ou 4, comprenant une étape ultérieure de contrôle de denture du stator (1) et du rotor (2). Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape ultérieure de contrôle de denture comprend une comparaison du profil de chaque dent (10, 20) avec un profil théorique de dent d’engrenage (P’). Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape ultérieure de contrôle de denture comprend une mesure d’une hélice du profil de chaque dent (10, 20). Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape ultérieure de contrôle de denture comprend une mesure d’une erreur angulaire entre au moins deux dents (10, 20) adjacentes. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape ultérieure de contrôle de denture comprend une comparaison d’un profil de contact de chaque dent (10, 20) avec un profil de contact théorique.