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Dispositif moteur à impulsions électromagnétiques La présente invention concerne quelques exécutions spéciales du dispositif faisant l'objet du brevet principal N 321957.
Elle a principalement pour but de réduire l'encombrement de l'aimant permanent mobile du moteur, de sorte que ce moteur puisse être aisément logé dans une montre-bracelet de format courant, régularisée par un balancier de diamètre relativement grand. A cet effet, le dispositif moteur à impulsions électromagnétiques applicable notamment aux instruments horaires et comportant au moins un aimant permanent mobile qui reçoit des impulsions motrices périodiques d'un électro-aimant relié aux bornes de sortie d'un amplificateur électronique du genre transistor à jonction disposé sur le circuit d'une faible source d'énergie et dont les bornes d'entrée sont reliées à au moins un enroulement fixe, disposé par rapport à l'aimant mobile de façon que ledit aimant engendre périodiquement, par induction, dans cet enroulement,
une faible force électromotrice, est caractérisé par le fait que l'électro-aimant moteur comporte au moins deux noyaux de matière ferromagnétique de haute perméabilité à épanouissements polaires, entre lesquels tourne très librement et avec une très faible retenue magnétique un aimant permanent mobile en forme de disque ayant un diamètre inférieur à dix millimètres, les noyaux de l'électro-aimant moteur étant entourés par au moins deux bobines d'un diamètre extérieur inférieur à cinq millimètres reliées l'une à l'entrée de l'amplificateur électronique, l'autre à la sortie dudit amplificateur.
Plusieurs formes d'exécution du dispositif faisant l'objet de la présente invention, vont être décrites ci-après, à titre d'exemple, et sont représentées sur les dessins annexés sur lesquels La fig. 1 est un croquis à grande échelle représentant une première forme d'exécution d'un moteur magnétoélectrique à commande électronique, appliqué au remontage périodique d'une petite montre.
La fig. 2 est un schéma indiquant les connexions et les principaux organes magnétoélectriques, électroniques et mécaniques de cette montre.
La fig. 3 en représente schématiquement le circuit magnétique.
La fig. 4 représente ce circuit magnétique, le rotor ayant tourné d'un quart de tour.
La fig. 5 indique une variante d'exécution du moteur magnétoélectrique représenté sur les fig. 1 à 4.
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La fig. 6 est un schéma des connexions et des organes assurant le remontage périodique d'une montre au moyen du moteur fi-. 5.
La fig. 7 est une vue en perspective d'un élément de l'aimant multipolaire représenté en fig. 6.
Les organes précédemment décrits dans le brevet principal sont désignés par les mêmes lettres, c'est-à-dire A pour l'aimant rotatif, BC pour l'enroulement dit bobine de commande ou le déclenchement , BE pour l'enroulement chargé d'exercer des impulsions motrices sur l'aimant A. La pile est représentée en G et le transistor miniature en Tr.
Sur la fig. 1, la disposition de quelques organes logés dans la circonférence intérieure 8 du boîtier est indiquée schématiquement par le cercle 9 figurant le balancier, par le contour 10 du pont de balancier et par le pourtour de la pile G.
Le train d'engrenages assurant périodiquement le remontage de la montre est réalisable de diverses façons bien connues. Ce rouage est situé entre l'axe du rotor constitué par l'aimant moteur A et l'axe central 11 de l'aiguille tournant à la vitesse de 1 tour/heure.
La transmission de mouvement entre l'axe 11 et le balancier 9 est assurée par les engrenages et l'échappement des montres usuelles. Elle n'a pas été représentée sur la fig. 1 afin d'alléger et de rendre plus claire cette figure.
L'axe 12 de l'aimant A est parallèle à l'axe 13 du balancier. Il est normal à la platine principale 14 du mouvement de la montre. Cet axe 12 est situé à l'opposé du balancier afin de réduire les influences magnétiques sur la période d'oscillation dont dépend la régularité de marche de la montre. Ce résultat est facilité par les particularités de construction suivantes L'aimant A présente la forme d'un disque circulaire de très faible volume. Par exemple, son diamètre est de l'ordre de cinq millimètres et, en tout cas, inférieur à dix millimètres.
L'aimant A est constitué par une des matières anisotropes connues caractérisées par un champ coercitif très élevé. Les lignes de force intérieures sont parallèles à un diamètre, comme l'indiquent les flèches en fig. 2. Leur direction concorde avec l'orientation privilégiée d'aimantation obtenue par une opération métallurgique (par exemple un traitement thermique effectué dans un champ magnétique intense).
La forme et la dimension réduite de l'aimant A facilitent ce traitement et l'on peut obtenir, dans ces conditions, un disque bipolaire dont l'induction rémanente est supérieure à deux mille gauss et dont le champ coercitif dépasse mille oersteds.
Les faibles dimensions données à l'aimant A permettent d'employer éventuellement des matières d'un prix élevé dans lesquelles il est possible de concentrer une densité d'énergie magnétique considérable. Par exemple on peut constituer tout ou partie du disque A par un alliage de platine et de cobalt dont l'induction magnétique persistante atteint quatre mille gauss.
L'aimant A tourne très librement entre les pôles d'un stator à deux bobines BC et BE réalisé de la façon suivante Les bobines sont formées par un fil de haute conductibilité isolé par une mince couche d'émail et enroulé très serré autour des noyaux 15 et 16 en matière ferromagnétique caractérisée par une perméabilité élevée et par un cycle d'hystérésis très étroit. Par exemple, les noyaux de bobine sont constitués par alliage de fer et nickel recuit dont le champ coercitif est inférieur à 0,3 oersted et dont la perméabilité dépasse 5000 gauss/oersted. (On peut employer notamment les produits de marque anhyster et hypernik ).
Les noyaux 15 et 16 ont une section approximativement ronde ou carrée à angles arrondis ; la surface des sections est inférieure à quatre millimètres carrés et l'épaisseur des bobines BC et BE, mesurée normalement au cadran, est au plus de cinq millimètres. La longueur de ces bobines est d'au moins dix millimètres.
On voit sur la fi-. 1 que les noyaux des bobines sont disposés dans la direction de cordes de la circonférence 8.
Les noyaux 15 et 16 sont prolongés par les épanouissements polaires 17 et 18 entourant
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l'aimant A sur des arcs d'au moins 1500. Les autres extrémités des noyaux sont munies de talons 19 et 20 qui sont en contact et jouent le rôle d'une culasse magnétique.
Le tracé des épanouissements polaires est déterminé de façon que les épaisseurs d'entre- fer soient relativement grandes (par exemple, supérieures à un demi-millimètre) et que la rotation de l'aimant A ne soit pas gênée par des forces d'attractions magnétiques. Les tracés des pôles seront précisés plus loin en se référant aux fig. 3 et 4. Les forces radiales qui agissent sur l'aimant léger A sont bien équilibrées et se neutralisent, ce qui permet de monter l'aimant A sur un axe 12 muni de pivots très fins.
Comme l'indique la fig. 1, le moteur magnétoélectrique occupe dans le cercle 8 un segment dont la largeur maximum est inférieure aux deux tiers du rayon, ce qui permet de disposer d'une place relativement importante pour loger la pile G ainsi que les engrenages de remontage et le mécanisme de mesure du temps comprenant le balancier 9.
Les enroulements BE et BC peuvent être obtenus très facilement par les opérations de bobinage automatique. Munis des noyaux intérieurs 15 et 16, il constituent des éléments de construction fixés aisément sur la platine 14 au moyen de vis, et l'on peut changer ces éléments sans difficultés en cas de détérioration accidentelle des enroulements.
Le schéma de la fig. 2 représente les organes de la montre remontée périodiquement au moyen de la pile G. Par exemple, toutes les demi-heures, l'aimant A se met à tourner en sens f dans les conditions exposées dans le brevet principal. L'aimant remonte ainsi un petit ressort de barillet 21 qui fait fonctionner la montre au moyen d'organes d'utilisation courante comprenant - les roues dentées et pignons tels que 22, 23, 24, 25 et 26, une roue d'échappement 27, une ancre 28 et le balancier 9.
On utilise de préférence un ressort intermédiaire 21 plus petit que les ressorts de barillet usuels car il suffit que l'énergie mécanique accumulée dans ce ressort assure la marche pen- dant les intervalles de temps entre les remontages automatiques, c'est-à-dire pendant une demi-heure dans l'exemple envisagé.
La transmission de mouvement entre l'aimant A et le ressort 21 est représentée schématiquement par les pignons et roues dentées 29, 30, 31, 32, 33 et 34.
Le ressort intermédiaire peut évidemment être monté de diverses façons connues entre la roue dentée 22 tournant constamment et la roue dentée 34 qui tourne seulement pendant les opérations de remontage. La durée de ces remontages dépend de la vitesse de A et du train d'engrenages. Elle peut être très variable. Par exemple la transmission peut être établie en vue d'opérer le remontage en une fraction de minute ou en plusieurs minutes.
Un cliquet 35 appuyant légèrement sur une came en forme de limaçon ou sur un rochet solidaire du pignon 31 s'oppose à la rotation de l'aimant A dans le sens opposé à la flèche f.
Comme dans les montres ordinaires, la roue 34 est arrêtée lorsque le ressort 21 est suffisamment enroulé, c'est-à-dire lorsque la rotation de la roue 34 par rapport à celle de la roue 22 dépasse une valeur donnée (par exemple 1/2 à 5 tours). Cette fonction est obtenue par un dispositif non représenté sur la fig. 2. Ce dispositif peut être identique à celui des mécanismes dits d'arrêtage employés couramment dans les horloges pour éviter que les spires du ressort- moteur ne soient pas trop serrées lorsque le remontage est arrivé à son plus haut degré.
Les connexions entre le transistor Tr, la pile G et les enroulements BC et BE sont les mêmes que celles qui ont été décrites dans le brevet principal en se référant à la fig. 2 de celui-ci. On a reconnu qu'il pouvait être utile de brancher une capacité Ca, par exemple, entre la base b et le collecteur C du transistor, afin d'éviter l'entretien continuel d'un courant de fréquence élevée provenant d'un couplage direct des enroulements BC et BE.
Le démarrage du moteur est assuré toutes les demi-heures au moyen de la came à chute 36, solidaire de la roue 22, qui tourne constamment à la vitesse de 1 tour/heure. Le dispositif de lancement est formé par un bras 37
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muni d'un cliquet 3 8 en prise avec une roue à rochet 39 solidaire du pignon 31. On voit que la came 36 soulève lentement le bras 37 sollicité par le ressort 40. Lorsque ce bras retombe, l'aimant A reçoit une impulsion dans le sens f et le moteur électrique fonctionne dans les conditions exposées ci-après.
Dans le circuit magnétique formé par l'aimant A et les noyaux 15 et 16, un flux alternatif 's'établit et, par suite du phénomène bien connu de l'induction électrique, la bobine BC est le siège d'une force électromotrice alternative qui est maximum lorsque le flux qu'elle embrasse se renverse. Ce renversement a lieu lorsque les pôles N et S et l'aimant rotatif se trouvent vis-à-vis des intervalles entre les épanouissements fixes 17 et 18.
Il résulte des propriétés des cristaux semiconducteurs dits P-N-P constituant le transistor Tr que, lorsqu'une faible tension électrique d'une certaine polarité agit sur les électrodes e (émetteur) et b (base), un courant i circule dans le sens des flèches marquées sur le schéma fig. 2. De plus, la résistance électrique, normalement très élevée entre les électrodes c (collecteur) et e (émetteur) s'affaiblit instantanément.
Les connexions sont établies pour obtenir que le transistor Tr fonctionne comme un relais chargé d'alimenter en temps utile et dans le sens convenable l'enroulement BE relié à la pile G en passant par les électrodes E et C. Le circuit ainsi défini constitue le circuit de sortie , de l'amplificateur, tandis que les bornes e et b en forment l'entrée ; ce circuit de sortie se trouve débloqué chaque fois que le courant i prend naissance et l'expérience montre qu'un courant 1, relativement puissant parcourt le fil de la bobine BE.
Le sens d'enroulement du fil est choisi de façon que la bobine BE engendre un flux qui donne à l'épanouissement polaire 17 la polarité sud et à l'épanouissement 18 la polarité nord . Les attractions et les répulsions électromagnétiques qui s'exercent entre les pôles mobiles N-S et les pièces polaires 17 et 18 sont telles que le rotor A reçoit pendant un instant un couple moteur dirigé dans le sens de la flèche f, c'est-à-dire dans le sens du mouvement rotatif. Les courants i et 1 s'annulent dès que l'aimant A a tourné d'un quart de tour à partir de la position représentée fig. 2, car le flux dans le noyau 15 ne subit plus de variation et la force électromotrice induite dans BC s;annule.
Lorsque l'aimant A occupe la position correspondant à une rotation d'un demi-tour par rapport à la position fig. 2, les courants i et 1 sont pratiquement nuls car la force électromotrice induite dans BC agit en sens inverse de la flèche marquée sur l'électrode e, et la circulation des électrons est interrompue. Les courants i et I ne sont rétablis que lorsque l'aimant passe de nouveau dans la position active figurée sur le schéma.
On voit que l'aimant A fonctionne comme le rotor d'un moteur à impulsion capable de produire un travail mécanique, car la puissance motrice développée par le courant 1 est plus élevée que la puissance absorbée pour ;engendrer le courant de déclenchement i. L'inertie de la masse A, renforcée au besoin par un volant auxiliaire, assure la continuité du mouvement rotatif lorsque le couple résistant opposé par le mécanisme entraîné est relativement faible. On constate que l'aimant recevant de faibles impulsions prend une vitesse de plus en plus grande. Cette vitesse se stabilise dès que la force contre-électromotrice induite dans la bobine BE prend une valeur comparable à la force électromotrice de la pile G. (Le mode d'action très utile de cette force contre-électromotrice a été exposé dans le brevet principal).
L'expérience prouve que, pour remonter le faible ressort 21 par l'intermédiaire d'un train d'engrenages démultipliant beaucoup la vitesse (par exemple, dans un rapport de démultiplication supérieur à 200), le couple résistant qui s'exerce sur le pignon 29 est très faible. Il a été possible de choisir la résistance de la bobine BE de façon que de faibles impulsions de courant (d'une puissance électrique maximum inférieure à 1 milliwatt) fassent tourner l'aimant à une vitesse de l'ordre de 5 à 20 tours par seconde.
Dès que le remontage du ressort 21 est achevé, la roue 34 rencontre un butoir non re-
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présenté et l'aimant A s'arrête. A cet instant, et, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter pour cela des interrupteurs dans les circuits, le débit de la pile G s'annule car aucune force électromotrice n'est induite dans la bobine de déclenchement BC. Automatiquement les résistances internes des cristaux formant le transistor Tr deviennent extrêmement élevées et ne permettent plus la circulation des électrons.
La montre continue à fonctionner au moyen de l'énergie mécanique précédemment accumulée dans le ressort 21. La came 36 continue à tourner à la vitesse d'un tour par heure et le remontage est de nouveau opéré dès que le bras 37 retombe en donnant une impulsion à l'aimant A.
La montre décrite ci-dessus présente les avantages suivants 1) Le mécanisme de mesure du temps est réalisé avec les organes usuels fabriqués en grande série et longuement éprouvés ; le fonctionnement du balancier associé au spiral réglant n'est pas troublé par des organes magnétiques supplémentaires.
2) La roue d'échappement reçoit un couple moyen sensiblement constant fourni par un faible ressort moteur 21, dont la fatigue est très faible. On peut éviter ainsi les principaux défauts des montres actuelles, défauts qui proviennent des ruptures du ressort de barillet (soumis à des contraintes excessives) et de l'importance des forces et des frottements de glissement.
3) La constance du couple moteur permet soit d'améliorer les qualités chronomé- triques de la montre, soit de réduire le coût de la fabrication des organes ré- glants. On sait, en effet, qu'un échappement de qualité médiocre et un balancier présentant un défaut d'isochronisme fonctionnent avec plus de régularité lorsque la force motrice ne subit pas de grandes variations. 4) Le moteur magnétoélectrique excité par l'énergie magnétique d'un aimant permanent invariable peut fonctionner avec un rendement beaucoup plus élevé que celui des électro-aimants à fer doux (dont l'aimantation est perdue après chaque course motrice).
Le transistor permet, de plus, d'éviter les contacts précaires et instables qui constituent la cause principale du mauvais fonctionnement de nombreux systèmes de montres électriques essayés sans succès depuis un siècle.
5) La durée de fonctionnement du moteur électronique est relativement faible, ce qui permet d'utiliser des enroulements BC et BE réalisables avec du fil de cuivre émaillé relativement solide que l'on peut serrer fortement sur les noyaux 15 et 16. Par exemple, on peut employer du fil de cuivre d'un diamètre supérieur à trois centièmes de millimètre.
6) L'affaiblissement de la tension de la pile, les petites modifications des résistances internes du transistor, les modifications des frottements intervenant dans les organes de remontage influent seulement sur la rapidité de la mise sous tension du ressort 21. Elles n'ont pas d'action perturbatrice sur la période du balancier.
7) Le fonctionnement de la montre fig. 2 ne dépend pas d'une énergie très irrégulière et qui peut faire défaut en diverses circonstances. Les chiffres suivants mettent en évidence le progrès technique obtenu par la montre décrite On fabrique actuellement des piles miniatures étanches d'un volume d'un demi-centimè- tre cube qui débitent une énergie électrique supérieure à 400 joules.
Les montres mécaniques usuelles à remontage journalier consomment un travail mécanique de l'ordre de 50 joules par an.
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Avec le dispositif représenté sur les fig. 1 et 2, les pertes mécaniques ne sont pas plus élevées et la montre munie de la pile considérée plus haut peut fonctionner pendant dix-huit mois à l'aide d'un moteur dont le rendement est seulement de l'ordre de 0,2.
Les fig. 3 et 4 montrent certaines particularités du moteur destinées à faciliter le démarrage et la rotation de l'aimant A au moyen d'un courant pulsatoire 1 très faible.
Les lignes de force internes de l'aimant A sont indiquées par des flèches pour deux positions remarquables du rotor et l'on a représenté par quelques courbes en traits interrompus l'allure des lignes de force traversant les entrefers et le stator lorsqu'il ne passe pas de courant dans les bobines BC et BE.
Lorsqu'on ne prend pas de précautions particulières, la réluctance des circuits magnétiques varie lorsque l'aimant A passe de la position fig. 3 à la position fig. 4. Par suite, le disque, dans lequel est concentrée une énergie magnétique très élevée, est fortement attiré et maintenu dans la position correspondant au mi- nimum de la réluctance des circuits magnétiques (propriété bien connue des circuits magnétiques déformables).
Les forces de retenue magnétique ainsi créées nuiraient beaucoup au fonctionnement du système schématisé par la fig. 2 car l'iner- nie du rotor est faible et le moteur tourne d'un mouvement saccadé lorsque l'attraction angulaire périodique dépasse une certaine valeur. Le moteur peut même s'arrêter si la retenue magnétique est grande devant la force électromagnétique tangentielle engendrée par le courant intermittent I.
En adoptant les formes de circuit magnétique représentées par les fig. 1 à 4 (grands en- trefers, épanouissements polaires très enveloppants évidés en leurs milieux) on égalise la réluctance magnétique pour toutes les orientations de l'aimant. On voit, en effet, que le flux peut se fermer soit par les épanouissements polaires 17 et 18, comme l'indique la fig. 3, soit par les cornes polaires et les noyaux 15 et 16, comme le montre la fig. 4.
Les quatre entrefers d'épaisseur E1 étant limités par les arcs dont l'éten- due totale est à peu près invariable quelle que soit la position de l'aimant, le rotor se trouve en équilibre indifférent et il est possible de le lancer par une impulsion très faible.
Ce résultat a été notamment obtenu avec un circuit magnétique fig. 3, en adoptant les dimensions suivantes Diamètre de l'aimant A ...... 5 millimètres Entrefer minimum El ....... . . . 0,8 à 1,2 millimètres Entrefer E. (vis-à-vis des milieux des épanouissements polaires 17 et 18) 1,5 à 2 millimètre Intervalle angulaire entre les extrémités desdits épanouissements ---- â = 25 degrés Il est évident que, sans sortir du cadre de l'invention, on peut apporter divers changements à la forme d'exécution précédemment décrite.
En particulier, on peut modifier la vitesse des roues 22 et 34 entre lesquelles est monté le ressort intermédiaire 21. On peut aussi modifier la vitesse ou le nombre de dents de la came à chute 36, dont dépend la fréquence des remontages.
La forme circulaire 8 du boîtier n'est pas indispensable et les rouages pourraient être étagés sur plusieurs plans. La pile G pourrait être logée en dehors du boîtier 8 de la montre.
La source d'énergie G pourrait être constituée par un petit accumulateur susceptible d'être rechargé facilement. Par exemple, plusieurs recharges sans excès d'un accumulateur alcalin miniature pourraient être obtenues à de très longs intervalles de temps en reliant la montre à un support approprié contenant une source d'énergie auxiliaire, telle qu'une pile d'un volume supérieur à vingt centimètres cubes.
On peut apporter aux organes magnétoélectriques précédemment décrits certains changements destinés à élever le rendement ou la puissance massique du petit moteur. Par exemple, les fig. 5, 6 et 7 représentent un dispositif de remontage obtenu au moyen d'un aimant A à quatre pôles qui reçoit deux impulsions successives pendant une rotation d'un tour.
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Le ressort intermédiaire 21 et la transmission mécanique entre l'aimant et la roue 34 sont conservés ainsi que le cliquet 35 chargé d'imposer au moteur un sens de rotation convenable.
Le rotor A est encore un aimant circulaire dont le diamètre est au plus de dix millimètres. Cet aimant qui présente quatre pôles périphériques alternés marqués N,S.N,S, peut être constitué par une seule pièce en substance de haute coercivité telle que le produit céramique de marque ferroxdure . On peut aussi constituer le rotor à quatre pôles par un assemblage d'aimants bipolaires AI, A2, A3 et A4 en forme de secteurs. Dans ce cas, ces éléments sont disposés comme l'indique la fig. 6 et peuvent être maintenus par une petite boîte mince 41 en matière non magnétique.
Ce mode de réalisation du rotor permet d'utiliser, comme dans le moteur de la fig. 1, une substance anisotrope capable de conserver une densité d'énergie magnétique extrêmement élevée.
Le stator en matière ferromagnétique de très haute perméabilité est formé par deux circuits magnétiques distincts comportant chacun des épanouissements polaires 42, 43 et des noyaux de faible section 44 - 45. Les enroulements BC et BE entourent les noyaux 44 et 44'.
Les connexions entre les enroulements, le transistor et la source d'énergie G sont identiques ou analogues à celles qui ont été indiquées sur le schéma fig. 2.
Sur le schéma fig. 6, on a représenté une variante du dispositif assurant le démarrage périodique de l'aimant A. Au lieu de donner une impulsion de lancement par une action mécanique, on établit une brève émission de courant dans la bobine BE afin d'engendrer des forces électromagnétiques qui amorcent la rotation de A.
L'émission de démarrage est produite en établissant un court-circuit bref entre les électrodes e et c du transistor Tr. Cette opération est effectuée à de longs intervalles de temps, par exemple tous les quarts d'heure au moyen d'un contact instantané 46 fermé par un mobile du mécanisme horaire. Pour lancer avec sûreté le rotor, il suffit que l'aimant A occupe, en position d'attente, une orientation voisine de celle qui est représentée sur la fig. 5. Ce résultat est obtenu par un calage convenable de la came en limaçon 47 par rapport à la roue 30.
En effet, sous l'influence du ressort moteur 21 (représenté sur le schéma fig. 2), la dent de la came 47 vient se placer contre l'extrémité du cliquet 35, ce qui détermine la position relative des pôles fixes et mobiles.
Divers dispositifs connus en eux-mêmes permettent de fermer périodiquement l'interrupteur 46. Par exemple, on peut utiliser une roue 48 tournant dans le sens de la flèche 49 à la vitesse de 1 tour par heure, vitesse contrôlée par l'échappement. Cette roue 48 est munie de chevilles de déclenchement telles que 50 et 51 et elle joue un rôle comparable à celui de la came 36 dans le dispositif mécanique représenté en fig. 2.
Le cliquet 52, dont la position de repos est représentée sur la fig. 6, est soulevé progressivement par la cheville 50. Ensuite, il retombe très brusquement et, en raison de son inertie, il dépasse sa position de repos, en établissant pendant un instant le contact 46.
L'aimant A. recevant une impulsion électromagnétique qui le fait démarrer, opère le remontage progressif du ressort moteur 21 de la montre. Après cette opération, l'aimant A s'immobilise dans la position fig. 5 et le remontage se répète lorsque le cliquet 52, sous l'action de la cheville 51, ferme de nouveau le contact 46. On voit que le fonctionnement du système fig. 6 est analogue à celui du dispositif fig. 2. La conservation en bon état de l'interrupteur 46 ne présente pas de difficultés car les ruptures sont peu fréquentes et l'on peut adopter des pressions de contact assez élevées.
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Motor device with electromagnetic pulses The present invention relates to some special versions of the device which is the subject of main patent N 321957.
Its main purpose is to reduce the size of the movable permanent magnet of the motor, so that this motor can easily be housed in a standard-size wristwatch, regulated by a balance of relatively large diameter. For this purpose, the electromagnetic pulse motor device applicable in particular to time instruments and comprising at least one movable permanent magnet which receives periodic driving pulses from an electromagnet connected to the output terminals of an electronic amplifier of the junction transistor type arranged on the circuit of a weak energy source and whose input terminals are connected to at least one fixed winding, arranged relative to the mobile magnet so that said magnet generates periodically, by induction, in this winding ,
low electromotive force, is characterized by the fact that the motor electromagnet has at least two cores of high permeability ferromagnetic material with pole shoes, between which rotates very freely and with very low magnetic retention a movable permanent magnet in the form disc having a diameter less than ten millimeters, the cores of the motor electromagnet being surrounded by at least two coils with an outer diameter of less than five millimeters, one connected to the input of the electronic amplifier, l other at the output of said amplifier.
Several embodiments of the device forming the subject of the present invention will be described below, by way of example, and are shown in the accompanying drawings in which FIG. 1 is a large-scale sketch showing a first embodiment of an electronically controlled magnetoelectric motor, applied to the periodic winding of a small watch.
Fig. 2 is a diagram showing the connections and the main magnetoelectric, electronic and mechanical components of this watch.
Fig. 3 schematically shows the magnetic circuit.
Fig. 4 represents this magnetic circuit, the rotor having turned a quarter of a turn.
Fig. 5 indicates an alternative embodiment of the magnetoelectric motor shown in FIGS. 1 to 4.
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Fig. 6 is a diagram of the connections and of the components ensuring the periodic winding of a watch by means of the motor fi. 5.
Fig. 7 is a perspective view of an element of the multipolar magnet shown in FIG. 6.
The bodies previously described in the main patent are designated by the same letters, that is to say A for the rotating magnet, BC for the winding called the control coil or the trigger, BE for the winding loaded with exert driving impulses on magnet A. The battery is represented in G and the miniature transistor in Tr.
In fig. 1, the arrangement of a few members housed in the inner circumference 8 of the case is indicated schematically by the circle 9 representing the balance, by the outline 10 of the balance bridge and by the perimeter of the battery G.
The gear train periodically ensuring the winding of the watch can be produced in various well-known ways. This gear train is located between the axis of the rotor formed by the motor magnet A and the central axis 11 of the needle rotating at a speed of 1 revolution / hour.
The transmission of movement between the axis 11 and the balance 9 is provided by the gears and the escapement of conventional watches. It has not been shown in FIG. 1 in order to lighten and make this figure clearer.
The axis 12 of the magnet A is parallel to the axis 13 of the balance. It is normal for the main plate 14 of the watch movement. This axis 12 is located opposite the balance in order to reduce the magnetic influences over the period of oscillation on which the regularity of the watch depends. This result is facilitated by the following construction features. Magnet A has the shape of a circular disc of very low volume. For example, its diameter is of the order of five millimeters and, in any case, less than ten millimeters.
Magnet A consists of one of the known anisotropic materials characterized by a very high coercive field. The inner lines of force are parallel to a diameter, as indicated by the arrows in fig. 2. Their direction agrees with the preferred orientation of magnetization obtained by a metallurgical operation (for example a heat treatment carried out in an intense magnetic field).
The shape and the small size of the magnet A facilitate this treatment and one can obtain, under these conditions, a bipolar disc whose remanent induction is greater than two thousand gauss and whose coercive field exceeds one thousand oersteds.
The small dimensions given to the magnet A allow the possible use of high-cost materials in which it is possible to concentrate a considerable magnetic energy density. For example, all or part of the disk A can be made from an alloy of platinum and cobalt, the persistent magnetic induction of which reaches four thousand gauss.
The magnet A rotates very freely between the poles of a stator with two coils BC and BE made as follows The coils are formed by a high conductivity wire insulated by a thin layer of enamel and wound very tightly around the cores 15 and 16 in ferromagnetic material characterized by high permeability and by a very narrow hysteresis cycle. For example, the coil cores are made of an annealed iron nickel alloy whose coercive field is less than 0.3 oersted and whose permeability exceeds 5000 gauss / oersted. (One can use in particular the brand products anhyster and hypernik).
The cores 15 and 16 have an approximately round or square section with rounded angles; the area of the sections is less than four square millimeters and the thickness of the coils BC and BE, measured normally on the dial, is at most five millimeters. The length of these coils is at least ten millimeters.
We see on the fi-. 1 that the cores of the coils are arranged in the direction of strings of the circumference 8.
The cores 15 and 16 are extended by the pole shoes 17 and 18 surrounding
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magnet A on arcs of at least 1500. The other ends of the cores are provided with heels 19 and 20 which are in contact and act as a magnetic yoke.
The path of the pole shoes is determined so that the gap thicknesses are relatively large (for example, greater than half a millimeter) and the rotation of magnet A is not hampered by attraction forces. magnetic. The traces of the poles will be specified later with reference to fig. 3 and 4. The radial forces acting on the light magnet A are well balanced and neutralize each other, which makes it possible to mount the magnet A on an axis 12 provided with very fine pivots.
As shown in fig. 1, the magnetoelectric motor occupies a segment in circle 8, the maximum width of which is less than two-thirds of the radius, which makes it possible to have a relatively large space to house the battery G as well as the winding gears and the control mechanism. time measurement including the balance 9.
BE and BC windings can be obtained very easily by automatic winding operations. Provided with internal cores 15 and 16, they constitute construction elements easily fixed to the plate 14 by means of screws, and these elements can be changed without difficulty in the event of accidental deterioration of the windings.
The diagram in fig. 2 represents the parts of the watch that are periodically wound up by means of the battery G. For example, every half hour, the magnet A starts to turn in direction f under the conditions set out in the main patent. The magnet thus winds up a small barrel spring 21 which operates the watch by means of members of current use comprising - the toothed wheels and pinions such as 22, 23, 24, 25 and 26, an escape wheel 27 , an anchor 28 and the balance 9.
An intermediate spring 21 is preferably used which is smaller than the usual barrel springs because it is sufficient that the mechanical energy accumulated in this spring ensures the operation during the time intervals between automatic windings, that is to say for half an hour in the example considered.
The transmission of movement between the magnet A and the spring 21 is shown schematically by the pinions and toothed wheels 29, 30, 31, 32, 33 and 34.
The intermediate spring can obviously be mounted in various known ways between the constantly rotating toothed wheel 22 and the toothed wheel 34 which only rotates during the reassembly operations. The duration of these refitting depends on the speed of A and the gear train. It can be very variable. For example, the transmission can be established with a view to winding up in a fraction of a minute or in several minutes.
A pawl 35 pressing lightly on a cam in the form of a snail or on a ratchet integral with the pinion 31 opposes the rotation of the magnet A in the direction opposite to the arrow f.
As in ordinary watches, the wheel 34 is stopped when the spring 21 is sufficiently wound up, that is to say when the rotation of the wheel 34 relative to that of the wheel 22 exceeds a given value (for example 1 / 2 to 5 turns). This function is obtained by a device not shown in FIG. 2. This device can be identical to that of the so-called stop mechanisms commonly used in clocks to prevent the coils of the mainspring from being too tight when the winding has reached its highest degree.
The connections between the transistor Tr, the battery G and the windings BC and BE are the same as those which have been described in the main patent with reference to FIG. 2 of it. It has been recognized that it might be useful to connect a capacitor Ca, for example, between base b and collector C of the transistor, in order to avoid the continual maintenance of a high frequency current from direct coupling. BC and BE windings.
The engine is started every half hour by means of the drop cam 36, integral with the wheel 22, which rotates constantly at the speed of 1 revolution / hour. The launching device is formed by an arm 37
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provided with a pawl 38 engaged with a ratchet wheel 39 integral with the pinion 31. It can be seen that the cam 36 slowly lifts the arm 37 biased by the spring 40. When this arm falls back, the magnet A receives an impulse in direction f and the electric motor operates under the conditions described below.
In the magnetic circuit formed by the magnet A and the cores 15 and 16, an alternating flux 'is established and, as a result of the well-known phenomenon of electric induction, the coil BC is the seat of an alternating electromotive force which is maximum when the flow which it embraces is reversed. This reversal takes place when the N and S poles and the rotating magnet are located opposite the intervals between the fixed spreads 17 and 18.
It follows from the properties of the so-called PNP semiconductor crystals constituting the transistor Tr that, when a low electric voltage of a certain polarity acts on the electrodes e (emitter) and b (base), a current i flows in the direction of the arrows marked in the diagram fig. 2. In addition, the electrical resistance, normally very high between electrodes c (collector) and e (emitter) weakens instantly.
The connections are made to obtain that the transistor Tr functions as a relay responsible for supplying in good time and in the appropriate direction the winding BE connected to the battery G passing through the electrodes E and C. The circuit thus defined constitutes the output circuit of the amplifier, while the terminals e and b form the input; this output circuit is unblocked each time the current i arises and experience shows that a relatively powerful current 1 runs through the wire of the coil BE.
The direction of winding of the wire is chosen so that the coil BE generates a flux which gives the pole shoe 17 the south polarity and the shoe 18 the north polarity. The electromagnetic attractions and repulsions which are exerted between the mobile poles NS and the pole pieces 17 and 18 are such that the rotor A receives for an instant a motor torque directed in the direction of the arrow f, that is to say say in the direction of rotary motion. The currents i and 1 cancel out as soon as the magnet A has turned a quarter of a turn from the position shown in fig. 2, because the flux in nucleus 15 no longer undergoes variation and the electromotive force induced in BC is canceled.
When the magnet A occupies the position corresponding to a rotation of half a turn with respect to the position fig. 2, the currents i and 1 are practically zero because the electromotive force induced in BC acts in the opposite direction to the arrow marked on the electrode e, and the circulation of electrons is interrupted. The currents i and I are only reestablished when the magnet passes again into the active position shown in the diagram.
It can be seen that the magnet A functions like the rotor of an impulse motor capable of producing mechanical work, since the motive power developed by the current 1 is higher than the power absorbed to generate the tripping current i. The inertia of mass A, reinforced if necessary by an auxiliary flywheel, ensures the continuity of the rotary movement when the resistive torque opposed by the driven mechanism is relatively low. It can be seen that the magnet receiving weak pulses takes on an increasingly high speed. This speed stabilizes as soon as the back electromotive force induced in the coil BE assumes a value comparable to the electromotive force of the battery G. (The very useful mode of action of this back electromotive force was exposed in the main patent ).
Experience shows that, in order to wind up the weak spring 21 by means of a gear train greatly reducing the speed (for example, in a gear ratio greater than 200), the resisting torque which is exerted on the pinion 29 is very weak. It was possible to choose the resistance of the BE coil so that low current pulses (with a maximum electrical power of less than 1 milliwatt) cause the magnet to rotate at a speed of the order of 5 to 20 turns per second.
As soon as the winding of the spring 21 is completed, the wheel 34 encounters an unrecognized stopper.
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presented and magnet A stops. At this moment, and without it being necessary to add switches in the circuits for this, the flow rate of the stack G is canceled out because no electromotive force is induced in the trigger coil BC. Automatically the internal resistances of the crystals forming the transistor Tr become extremely high and no longer allow the circulation of electrons.
The watch continues to operate by means of the mechanical energy previously accumulated in the spring 21. The cam 36 continues to rotate at the speed of one revolution per hour and the winding is again operated as soon as the arm 37 falls, giving a pulse to magnet A.
The watch described above has the following advantages 1) The time measuring mechanism is produced with the usual parts produced in large series and tested at length; the operation of the balance associated with the regulating hairspring is not disturbed by additional magnetic members.
2) The escape wheel receives a substantially constant average torque supplied by a weak mainspring 21, the fatigue of which is very low. The main faults of current watches can thus be avoided, faults which arise from the breakage of the barrel spring (subjected to excessive stresses) and from the importance of the forces and sliding friction.
3) The constancy of the motor torque makes it possible either to improve the chronometric qualities of the watch, or to reduce the cost of manufacturing the regulating members. It is known, in fact, that an escapement of mediocre quality and a balance having a defect of isochronism work with more regularity when the driving force does not undergo great variations. 4) The magnetoelectric motor excited by the magnetic energy of an invariable permanent magnet can work with much higher efficiency than that of soft iron electromagnets (whose magnetization is lost after each driving stroke).
The transistor makes it possible, moreover, to avoid the precarious and unstable contacts which constitute the main cause of the malfunction of many electric watch systems tried without success for a century.
5) The operating time of the electronic motor is relatively short, which makes it possible to use BC and BE windings which can be made with relatively strong enameled copper wire that can be tightened strongly on cores 15 and 16. For example, copper wire with a diameter greater than three hundredths of a millimeter can be used.
6) The weakening of the voltage of the battery, the small modifications of the internal resistances of the transistor, the modifications of the friction occurring in the winding members only influence the speed of the tensioning of the spring 21. They have no effect. of disruptive action on the period of the pendulum.
7) The operation of the watch fig. 2 does not depend on a very irregular energy which can fail under various circumstances. The following figures demonstrate the technical progress obtained by the watch described. Sealed miniature batteries are currently manufactured with a volume of half a cubic centimeter which output an electrical energy greater than 400 joules.
The usual mechanical watches with daily winding consume a mechanical work of the order of 50 joules per year.
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With the device shown in FIGS. 1 and 2, the mechanical losses are not higher and the watch fitted with the battery considered above can operate for eighteen months using a motor whose efficiency is only of the order of 0.2 .
Figs. 3 and 4 show certain peculiarities of the motor intended to facilitate the starting and the rotation of the magnet A by means of a very low pulsating current 1.
The internal lines of force of the magnet A are indicated by arrows for two remarkable positions of the rotor and the shape of the lines of force crossing the air gaps and the stator when not no current flows through the BC and BE coils.
When special precautions are not taken, the reluctance of the magnetic circuits varies when the magnet A passes from the position fig. 3 in position fig. 4. As a result, the disk, in which a very high magnetic energy is concentrated, is strongly attracted and held in the position corresponding to the minimum reluctance of magnetic circuits (a well-known property of deformable magnetic circuits).
The magnetic retaining forces thus created would greatly harm the operation of the system shown schematically in FIG. 2 because the inertia of the rotor is low and the motor rotates with a jerky movement when the periodic angular attraction exceeds a certain value. The motor can even stop if the magnetic restraint is large compared to the tangential electromagnetic force generated by the intermittent current I.
By adopting the forms of magnetic circuit shown in FIGS. 1 to 4 (large interferences, very enveloping pole shoes hollowed out in their centers) the magnetic reluctance is equalized for all the orientations of the magnet. We see, in fact, that the flow can be closed either by the pole shoes 17 and 18, as shown in FIG. 3, or by the polar horns and the cores 15 and 16, as shown in fig. 4.
The four air gaps of thickness E1 being limited by the arcs whose total extent is almost invariable whatever the position of the magnet, the rotor is in indifferent equilibrium and it is possible to launch it by a very weak impulse.
This result was obtained in particular with a magnetic circuit fig. 3, adopting the following dimensions Diameter of magnet A ...... 5 millimeters Minimum air gap El ........ . . 0.8 to 1.2 millimeters Air gap E. (vis-à-vis the midpoints of pole shoes 17 and 18) 1.5 to 2 millimeters Angular interval between the ends of said shoes ---- â = 25 degrees It is obvious that, without departing from the scope of the invention, various changes can be made to the embodiment described above.
In particular, it is possible to modify the speed of the wheels 22 and 34 between which the intermediate spring 21 is mounted. It is also possible to modify the speed or the number of teeth of the drop cam 36, on which the frequency of windings depends.
The circular shape 8 of the case is not essential and the cogs could be stepped in several planes. Battery G could be housed outside the case 8 of the watch.
The energy source G could consist of a small accumulator capable of being recharged easily. For example, several non-excessive recharges of a miniature alkaline accumulator could be obtained at very long time intervals by connecting the watch to a suitable support containing an auxiliary energy source, such as a battery with a volume greater than twenty cubic centimeters.
Certain changes can be made to the magnetoelectric members described above, intended to increase the efficiency or the specific power of the small motor. For example, Figs. 5, 6 and 7 show a winding device obtained by means of a four-pole magnet A which receives two successive pulses during a rotation of one turn.
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The intermediate spring 21 and the mechanical transmission between the magnet and the wheel 34 are retained as well as the pawl 35 responsible for imposing on the motor a suitable direction of rotation.
The rotor A is still a circular magnet, the diameter of which is at most ten millimeters. This magnet, which has four alternating peripheral poles marked N, S.N, S, can be constituted by a single piece of substantially high coercivity, such as the ceramic product of the ferroxdure brand. The rotor with four poles can also be formed by an assembly of bipolar magnets AI, A2, A3 and A4 in the form of sectors. In this case, these elements are arranged as shown in fig. 6 and can be held by a small thin box 41 of non-magnetic material.
This embodiment of the rotor makes it possible to use, as in the motor of FIG. 1, an anisotropic substance capable of retaining extremely high magnetic energy density.
The stator made of very high permeability ferromagnetic material is formed by two separate magnetic circuits each comprising pole shoes 42, 43 and small section cores 44 - 45. The BC and BE windings surround the cores 44 and 44 '.
The connections between the windings, the transistor and the energy source G are identical or similar to those which have been indicated in the diagram in fig. 2.
In the diagram fig. 6, there is shown a variant of the device ensuring the periodic starting of the magnet A. Instead of giving a launching pulse by a mechanical action, a brief emission of current is established in the coil BE in order to generate electromagnetic forces. which initiate the rotation of A.
The start-up emission is produced by establishing a brief short circuit between the electrodes e and c of the transistor Tr. This operation is carried out at long intervals of time, for example every quarter of an hour by means of an instantaneous contact. 46 closed by a mobile of the time mechanism. To safely launch the rotor, it suffices for the magnet A to occupy, in the standby position, an orientation close to that shown in FIG. 5. This result is obtained by a suitable setting of the snail cam 47 with respect to the wheel 30.
Indeed, under the influence of the mainspring 21 (shown in the diagram FIG. 2), the tooth of the cam 47 comes to be placed against the end of the pawl 35, which determines the relative position of the fixed and mobile poles.
Various devices known in themselves make it possible to periodically close the switch 46. For example, one can use a wheel 48 rotating in the direction of arrow 49 at a speed of 1 revolution per hour, speed controlled by the exhaust. This wheel 48 is provided with release pins such as 50 and 51 and it plays a role comparable to that of the cam 36 in the mechanical device shown in FIG. 2.
The pawl 52, the rest position of which is shown in FIG. 6, is gradually raised by the ankle 50. Then, it falls very suddenly and, because of its inertia, it exceeds its rest position, establishing contact 46 for an instant.
The magnet A. receiving an electromagnetic pulse which starts it, operates the progressive winding of the mainspring 21 of the watch. After this operation, the magnet A stops in position fig. 5 and the reassembly is repeated when the pawl 52, under the action of the pin 51, again closes the contact 46. It can be seen that the operation of the system FIG. 6 is similar to that of the device FIG. 2. Keeping the switch 46 in good condition does not present any difficulties because the breaks are infrequent and it is possible to adopt fairly high contact pressures.