CH637508A5 - Moteur pas-a-pas electrique. - Google Patents

Description

La présente invention concerne un moteur pas-à-pas électrique selon le préambule de la revendication 1, pouvant effectuer un nombre relativement élevé de pas par tour.

L'invention vise plus particulièrement à fournir un moteur so de ce type ayant un rapport couple/poids particulièrement avantageux, une grande accélération angulaire et une très bonne précision de fonctionnement en marche pas-à-pas, et qui soit, en outre, d'une construction simple et économique.

A cet effet le moteur pas-à-pas selon l'invention présente la 55 disposition décrite dans la partie caractéristique de la revendication 1. Les autres revendications décrivent des formes d'exécution particulièrement avantageuses de ce moteur.

La présente conception d'un moteur pas-à-pas permet de réaliser des circuits magnétiques très courts dans lesquels les so pertes d'énergie magnétique sont réduites au minimum. De plus, l'agencement décrit fournit une grande variation du point de fonctionnement de l'aimant dans chaque circuit magnétique élémentaire, ce qui résulte en un couple utile élevé pour un poids relativement faible du moteur. Un grand nombre de pas 65 peut être réalisé et la constante de temps électrique se trouve réduite. Une induction mutuelle extrêmement faible entre les bobines de différentes phases d'un moteur pas-à-pas polyphasé, contribue aux performances élevées d'un tel moteur.

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L'invention sera.expliquée avec plus de détails en référence à une forme d'exécution préférentielle, décrite à titre d'exemple et illustrée dans les dessins annexés, dans lesquels:

La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un moteur pas-à-pas diphasé selon l'invention, la coupe suivant la ligne I-I de la figure 2,

la figure 2 est une coupe du moteur selon la ligne II—II de la figure 1, et la figure 3 est une vue en direction axiale d'un circuit magnétique élémentaire sans bobine, montrant schématiquement une partie de l'organe rotatif coopérant avec ce circuit.

Le moteur pas-à-pas représenté aux figures 1 et 2 comporte un organe rotatif 1 en forme de disque annulaire monté sur un arbre 2 au moyen de deux parties de support 3,4. Les parties 3, 4 sont chassées sur l'arbre 2 et supportent à leur partie périphérique un aimant permanent mince constituant l'organe 1.

Comme le montre la figure 1, la présente forme d'exécution du moteur est pratiquement symétrique par rapport à un plan radial contenant l'organe rotatif 1. Deux supports de stator 5,6 en matériau non magnétique, par exemple en matière plastique, sont disposés en regard l'un de l'autre et assemblés au moyen de flasques annulaires 7, 8 et de vis 9,9', 9". L'arbre 2 du moteur est monté de façon rotative par rapport aux supports 5,6 au moyen de paliers 10,11. Plusieurs circuits magnétiques élémentaires 12 ainsi que des bobines électriques 13', 13", 14', 14" sont supportés par les supports 5,6.

Chaque circuit magnétique élémentaire 12 comporte deux parties de stator 12', 12" en forme de U, réalisées en matériau de grande perméabilité magnétique, et disposées radialement, l'une en face de l'autre dans le sens axial. Plus particulièrement, une première branche extérieure du U de chaque partie de stator 12' est en contact, par son extrémité, avec l'extrémité correspondante d'une première branche du U de la partie de stator opposée 12", alors que les deuxièmes branches des U, intérieures, présentent des extrémités espacées l'une de l'autre de manière à former un entrefer 15 entre celles-ci. Les parties de stator peuvent être réalisées en une pièce de fer doux ou, pour améliorer la qualité du circuit, sous forme lamellaire.

Comme le montre la figure 2, les circuits magnétiques élémentaires sont divisés en deux groupes, 12j et 12n, à l'intérieur desquels dix parties de stator sont espacées angulairement d'un même angle égal à k • 2jt/N, où k est un nombre entier et N le nombre de paires de pôles du rotor, tel que décrit ci-après. Dans l'exemple représenté, k = 1 et N = 25.

Les groupes de circuits magnétiques élémentaires, d'une façon générale au nombre de £, sont espacés angulairement l'un par rapport à l'autre d'un angle égal à r • 2jt/N ± jr/pN, où r est un nombre entier, ceci de façon à assurer un fonctionnement correct dans le cas d'un moteur polyphasé. Dans l'exemple représenté, p = 2 et r = 3 ou 4, selon le côté.

Comme le montrent les figures 1 et 2, deux bobines électriques sont couplées avec chaque circuit magnétique élémentaire et les dits circuits de chaque groupe 12t, 12t j sont couplés ensemble avec deux bobines correspondantes 14', 14" et 13', 13", respectivement. Les bobines sont disposées autour des branches de U formant les entrefers des circuits élémentaires et leur forme courbée montrée à la figure 2 assure que les spires soient placées le plus près possible de ces branches de U. De plus, la section des bobines remplit pratiquement entièrement l'espace entre les deux branches de U de chaque partie de stator. Seules deux bagues 16,17 sont placées également dans cet espace pour maintenir les bobines en place et pour guider les fils de connexion de celles-ci. Ces fils de connexion passent ensuite à travers un trou 18 dans le flasque 7.

La disposition décrite ci-dessus fournit un excellent couplage entre les bobines et les circuits élémentaires correspondants, une longueur minimale des lignes de flux magnétique à l'intérieur des circuits et un couplage extrêmement faible entre les bobines associées respectivement aux deux phases, à savoir les bobines 13', 13" d'une part, et 14', 14" d'autre part.

La figure 3 montre un circuit magnétique élémentaire isolé 12', 12", réalisé par exemple sous forme lamellaire, une s branche de U de chaque partie de stator formant l'entrefer de la manière décrite ci-dessus. La figure 3 montre également, de façon schématique, une zone périphérique annulaire du disque 1 en matériau magnétique dur, aimanté axialement de façon à présenter 2N pôles magnétiques de polarité alternante de cha-io que_côté du disque annulaire, ces pôles étant indiqués par «N» et «S».

Selon une variante d'exécution du moteur objet de l'invention, deux ou plusieurs étages de moteur peuvent être combinés pour former un moteur diphasé ou polyphasé, chaque étage i5 étant similaire au moteur décrit aux figures 1 et 2. L'arbre d'un tel moteur combiné est commun à tous les étages et les organes rotatifs sont fixés par leur support sur cet arbre commun. De préférence, chaque étage contient un seul groupe de circuits élémentaires et correspond ainsi à une phase. Pour assurer la 2o relation de phase approprié entre les différents étages, les supports de stator de chaque étage sont agencés pour pouvoir être ajustés angulairement par rapport aux autres étages. Pour déterminer la position angulaire appropriée, on peut par exemple entraîner l'arbre du moteur et mesurer les tensions induites dans 25 les différents étages.

Il ressort de la description donnée ci-dessus, que le présent agencement des circuits magnétiques élémentaires et de l'organe rotatif en forme de disque mince permet d'obtenir une grande variation du champ magnétique dans les dits circuits 30 élémentaires et par conséquent un couple élevé par unité de masse du moteur. Cet agencement permet également d'atteindre une accélération angulaire élevée, celle-ci étant limitée dans la pratique par l'inductance des bobines.

Un grand nombre de pas peut être obtenu en réalisant un 35 nombre approprié de pôles sur l'organe rotatif, ce dernier pouvant être d'un diamètre relativement grand par rapport aux dimensions du moteur. Dans la forme d'exécution selon les figures 1 à 2 par exemple, 100 pas peuvent être obtenus par tour lorsque les bobines 13', 13" et 14', 14" sont commandées par des 40 courants produisant une séquence d'entrée à quatre états, ou 200 pas peuvent être obtenus en commandant ces bobines par des courants produisant une séquence d'entrée à huit états.

Bien entendu, les phases peuvent également être alimentées de façon connue par des courants à paliers, de forme générale 45 sinusoïdale, pour réaliser un nombre encore plus grand de pas.

Pour assurer, dans un moteur diphasé, une bonne définition des positions d'équilibre, il est souhaitable de minimiser l'harmonique quatre du couple s'exerçant sur l'organe rotatif en absence de courant électrique. A cet effet, on divise chaque groupe de so circuits magnétiques élémentaires en deux sous-groupes décalés l'un par rapport à l'autre d'un angle k • 2jt/N ± 2jt/8N.

Dans une variante du moteur diphasé du type des figures 1 et 2, pour éviter les défauts liés au mal rond, au mal plat et aux éventuelles irrégularités d'épaisseur de l'aimant, il est avanta-55 geux de former quatre groupes de circuits élémentaires, deux groupes étant associés à chacune des phases et les groupes associés à une même phase étant disposés de façon diamétralement opposée.

60 Selon une forme d'exécution préférée, les circuits magnétiques élémentaires comportent un empilement de tôles, par exemple en ferro-silicium, présentant une structure magnétique orientée, l'orientation étant choisie parallèle à l'axe du moteur. On obtient ainsi une très bonne concentration du flux dans l'en-65 trefer, donc de très faibles flux de fuite. Pour assurer une bonne fermeture du flux dans la direction perpendiculaire à la dite orientation, des pièces de stator en fer doux sont placées en contact avec les parties des tôles s'étendant perpendiculaire

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ment à l'axe du moteur. Ces pièces peuvent constituer les flasques 7,8 dans le cas des figures 1 et 2 par exemple.

D'autre part, pour réduire la résistance thermique du moteur par rapport à l'air ambiant, on peut laisser apparent, à la périphérie du moteur, tout ou partie des branches de U extérieures des circuits magnétiques élémentaires, c'est-à-dire les branches ne formant pas l'entrefer.

Dans une forme d'exécution du moteur selon l'invention, un amortissement visqueux du disque du rotor est obtenu au moyen d'un fluide remplissant les deux volumes annulaires situés de part et d'autre du disque aimanté et dont la section est déterminée par les dimensions radiale et axiale correspondante de l'entrefer. Les surfaces qui, en regard des zones aimantées du disque, délimitent ces volumes, sont dans ce cas continues. Par exemple, dans le cas de la figure 2, les parties 5 et 6 seraient continues entre les deux groupes de circuits élémentaires 12s et 12n. Pour éviter que le fluide d'une viscosité appropriée, par exemple une huile silicone de 200 centistokes, ne s'étale, les surfaces adjacentes aux volumes remplis de fluide, sont traitées avec un épilame, produit bien connu dans le domaine de l'horlogerie. Le frottement obtenu par le cisaillement du fluide est proportionnel à la vitesse du rotor et il peut être déterminé par construction. Si l'on souhaite réduire le volume et si l'entrefer s d'air est suffisant, on peut appliquer une rondelle en matériau non magnétique sur la partie stationnaire du moteur de chaque côté du disque aimanté.

Le moteur selon l'invention peut être avantageusement io combiné avec un dispositif de détection électrooptique coopérant avec le rotor. Par exemple, une ou plusieurs overtures peuvent être prévues dans le support du disque aimanté, de manière à permettre une détection par transmission de lumière. Selon une autre forme d'exécution, un marquage à pouvoir de ré-15 flexion optique variable peut être appliqué sur le disque aimanté, par exemple par un procédé photographique. Le disque aimanté coopère avec un dispositif de détection par réflexion, le moteur étant agencé pour que le disque soit accessible entre deux groupes de circuits élémentaires par exemple.

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1 feuille dessins

Claims (13)

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1. Moteur pas-à-pas électrique comportant un organe rotatif formé essentiellement d'un disque en matériau magnétique aimanté axialement de manière à présenter de chaque côté du disque 2N pôles magnétiques de polarité alternante, disposés régulièrement le long d'une zone annulaire, ledit organe rotatif étant monté sur l'axe du moteur, le moteur comportant en outre plusieurs circuits magnétiques élémentaires et au moins deux bobines électriques couplées aux dits circuits élémentaires, chacun de ces circuits magnétiques élémentaires présentant un entrefer, tous les entrefers étant formés à la même distance radiale de l'axe du moteur et chaque entrefer étant en outre sensiblement symétrique par rapport à un plan radial commun contenant l'organe rotatif, caractérisé en ce que l'ensemble des circuits élémentaires (12) forme au moins deux groupes de circuits élémentaires (12h 12n) à l'intérieur desquels les entrefers (15) sont disposés avec un espacement angulaire de k • 2ji/N, k étant un nombre entier, les dites bobines électriques étant couplées chacune avec plusieurs circuits élémentaires appartenant à un même groupe.

2. Monteur pas-à-pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque circuit magnétique élémentaire (12) comporte au moins une partie de stator plate (12', 12") en forme de U, de perméabilité magnétique élevée, disposée radialement, chacune des dites bobines électriques (13', 13", 14', 14") étant disposée autour de l'une des branches de U des parties de stator des circuits élémentaires avec lesquelles elle est couplée.

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REVENDICATIONS

3. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, comportant £ groupes de circuits magnétiques élémentaires, caractérisé en ce que les circuits adjacents de deux groupes consécutifs présentent un espacement angulaire de r • 2it/N ± jt/pN, r étant un nombre entier.

4. Moteur pas-à-pas selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux organes rotatifs montés sur un axe commun, un groupe de circuits magnétiques élémentaires étant associé à chacun des dits organes rotatifs de manière à former un étage du moteur.

5. Moteur pas-à-pas selon la revendication 4, caractérisé en ce que le groupe de circuits magnétiques élémentaires d'un étage du moteur est ajustable angulairement par rapport au groupe de circuits élémentaires d'un autre étage du moteur.

6. Moteur selon la revendication 2, diphasé, caractérisé en ce qu'il comporte quatre bobines électriques (13', 13", 14', 14") couplées aux dits circuits magnétiques élémentaires (12), et deux supports de stator (5,6) pour supporter les dites parties de stator et les dites bobines, chacun des circuits magnétiques élémentaires comportant une première (12') et une seconde (12") parties de stator, plates, en forme de U, de perméabilité magnétique élevée, les dites premières et secondes parties de stator de chaque circuit étant disposées dans un même plan axial du moteur, l'extrémité d'une première branche de U de la dite première partie de stator de chaque circuit étant disposée en contact avec l'extrémité de la première branche de U de la dite seconde partie de stator du même circuit, et les extrémités des deuxièmes branches de U des dites premières et secondes parties de stator étant disposées en regard, à une certaine distance axiale l'une de l'autre, de manière à former un des dits entrefers (15), les dites premières parties de stator étant supportées dans le dit premier support de stator et les dites secondes parties de stator étant supportées dans le deuxième support de stator, deux bobines électriques (14', 14") étant disposées respectivement autour de toutes les deuxièmes branches de U des dites premières et secondes parties de stator du dit premier groupe (12t) de circuits magnétiques élémentaires, et les deux autres bobines électriques (13', 13") étant disposées respectivement autour de toutes les deuxièmes branches de U des dites premières et secondes parties de stator du dit deuxième groupe (12n) de circuits magnétiques élémentaires.

7. Moteur selon la revendication 1, diphasé, caractérisé en ce que chaque groupe de circuits élémentaires associé à une phase est divisé en deux sous-groupes décalés l'un par rapport à l'autre d'un angle k-2ît/N±2jt/8N, de manière à compenser s les harmoniques quatre du couple agissant sur l'organe rotatif en absence de courant électrique.

8. Moteur selon la revendication 1, diphasé, caractérisé en ce qu'il comporte deux paires de groupes de circuits magnétiques élémentaires, chaque paire étant associée à une phase res-

îopective, les groupes de chaque paire étant disposés de façon au moins approximativement diamétralement opposée.

9. Moteur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les circuits magnétiques élémentaires comportent chacun un empilement de tôles disposées au moins approximative-

15 ment dans un plan axial du moteur et présentant une structure magnétique orientée selon une direction parallèle à l'axe du moteur, des pièces de stator en fer doux (7, 8) étant disposées en contact avec les parties des dites tôles qui s'étendent perpendiculairement à l'axe du moteur.

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10. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits magnétiques élémentaires sont disposés dans le moteur de façon qu'une partie extérieure de ces circuits soit en contact avec l'air ambiant.

11. Moteur selon l'une des revendications précédentes, ca-25 ractérisé en ce que le disque aimanté est monté sur un support rotatif comportant une ou plusieurs ouvertures agencées de manière à pouvoir coopérer avec un dispositif de détection électrooptique.

12. Moteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé 30 en ce que le disque aimanté comporte sur sa surface un marquage à pouvoir de réflexion optique différent, le moteur étant agencé de façon que le disque aimanté soit accessible pour un dispositif de détection électro-optique.

13. Moteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé 35 en ce que les deux volumes annulaires situés de part et d'autre du disque aimanté et dont la section est déterminée par les dimensions radiale et axiale correspondante de l'entrefer des circuits magnétiques élémentaires, sont délimités en regard du disque aimanté par des surfaces continues et sont remplis d'un 40 fluide de viscosité donnée, les parties adjacentes aux surfaces situées en regard du disque aimanté étant traitées au moyen d'un épilame.