Moteur électrique destiné à être utilisé dans des applications ne relevant pas du domaine de la technique de la mesure du temps Il existe des moteurs électriques qui présentent un stator comportant des pièces polaires fermées par des plaques ferromagnétiques radiales, d'autres dans les quels un enrobage maintient les pièces polaires en pla ce et enfin des moteurs dont le stator comporte une bobine et des pièces polaires munies d'aimants perma nents placés sur le stator de manière à avoir alternati vement un pâle sud et un pôle nord en face du rotor du moteur; aucun de ces moteurs ne présente des cir cuits magnétiques en pont.
Une telle structure magnétique en pont est constituée par un élément allongé d'induit rotatif traversant une bobine suivant l'axe de celle-ci et muni d'une denture à chaque extrémité et par un stator à aimant perma nent muni de pièces polaires découpées, chaque den ture de l'élément d'induit formant deux entrefers res pectivement avec deux pièces ,polaires découpées de polarités opposées.
Les avantages d'une telle structure en pont, résul tent principalement du fait que le noyau de l'induit ne transmet que des flux variables dont le signe s'inverse périodiquement: il est alors possible de lui donner une section réduite, d'ou réduction de la dimension de la bobine et de ses pertes par résistance.
Par ailleurs, le circuit magnétique en pont se prête particulièrement bien à la réalisation de micromoteurs destinés à être alimentés de manière très simple et éco nomique par une source de courant continu associée à un circuit à transistor effectuant le découpage dudit courant en impulsions de signe constant.
La présente invention se propose de réaliser un moteur électrique destiné à être utilisé dans des appli cations ne relevant pas du domaine de la technique de la mesure du temps présentant les mêmes avantages, inhérents au circuit magnétique en pont, mais ayant une structure beaucoup plus facile à construire en grande série.
Ce moteur comporte au moins une struc ture magnétique en pont constituée par un élément allongé d'induit rotatif traversant une bobine suivant l'axe de celle-ci et muni d'une denture à chaque extré- mité et un stator à aimant permanent muni de pièces polaires découpées, chaque denture de l'élément d'in duit formant deux entrefers respectivement avec deux pièces polaires découpées de polarités opposées. Il est caractérisé en ce que lesdites pièces polaires sont cons tituées par des plaques en matériau perméable dispo sées radialement et entre lesquelles sont calés les aimants.
Dans cette structure chacun des couples de pièces polaires associées aux aimants respectifs forme, avec une portion du rotor, un circuit magnétique en pont, si bien que ladite structure est finalement composée d'une pluralité de circuits magnétiques en pont qui coopèrent entre eux.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple deux formes d'exécution du moteur selon l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale, d'un moteur synchrone lent.
La fig.2 est une portion de coupe transversale d'un tel moteur.
La fig. 3 est une vue en coupe axiale d'un micro- moteur.
La fig.4 est une vue en coupe suivant aa' de la fig. 3.
La fig.5 est une vue en plan de la zone à fré quence double que comporte le moteur de da fig. 3 et la fig. 6 est une vue en plan de l'un des flasques que comporte le boîtier d'un tel moteur. A la fig. 1, on a représenté, vu en coupe par un plan contenant son axe de révolution aa', un moteur syn chrone lent dont le rotor comporte un axe non magné tique 1 supporté par deux paliers 2 et 3 montés sur deux flasques 3b-3c et une pièce tubulaire 6, en fer doux, munie d'une denture 7 de pas P. Cette pièce est centrée sur l'axe par deux pièces 4 et 5.
Le stator est constitué d'une pluralité de paquets de tôles découpées en E, tels que 8 à 16, fig. 2, dispo- sées radialement. Les positions angulaires des paquets de tôles successifs correspondent alternativement, dans l'exemple considéré, à P (paquets 8-9) et à 3 P/2 (paquets 9-10). Les bobines 17-18 sont logées dans les espaces annulaires définis par les encoches des paquets de tôles en E.
Un système magnétique permanent, 19, de forme générale annulaire, est constitué par des aimants dis tincts, tels que 19a à 19d, disposés entre ceux des paquets de tôles qui font entre eux un angle de 3 P/2, comme le montre la fig. 2.
Ces aimants ont des pôles disposés comme l'indi que la fig. 2, les pôles positifs étant en phase entre eux, c'est-à-dire que tous les paquets de tôles qui consti tuent les pièces polaires correspondantes ont, pour la position du rotor figurée, leurs extrémités situées en regard de dents du rotor, et les pôles négatifs étant en phase entre eux, mais en opposition de phase avec les pôles positifs, c'est-à-dire que les paquets de tôles qui constituent les pièces polaires correspondantes ont, pour la position du rotor figurée, leurs extrémités situées en regard des intervalles entre des dents du rotor. Ce résultat pourrait évidemment être obtenu avec d'autres calages angulaires des paquets de tôles.
Le stator forme un bloc compact solidaire à la par tie cylindrique 3a du boitier et obtenu par moulage. Les espaces entre paquets de tôles non occupés par les aimants sont remplis de matière plastique (en 20 par exemple). Le centrage du rotor par rapport au stator est assuré par les épaulements des flasques 3b-3c sur lesquels portent les pièces polaires. Ce mode de cons truction permet d'éviter une rectification des éléments du stator, le découpage des paquets de tôles devant, bien entendu, être effectué avec une précision suffi sante.
Un même outillage de découpage des tôles permet ainsi de réaliser, de façon très économique, des moteurs de tailles variées.
Il est possible de réaliser, suivant le mode de cons truction qui vient d'être décrit, des moteurs diphasés ou, plus généralement, polyphasés.
Les fig. 1 et 2 illustrent le cas d'un moteur diphasé. Les trois branches des E qui constituent les paquets de tôles du stator, forment trois ensembles de surfaces actives en regard de trois portions correspon dantes de la denture du rotor.
On peut montrer que, pour que le moteur diphasé représenté aux fig. 1 et 2 fonctionne, c'est-à-dire pour qu'une force contre-électromotrice diphasée identique à celle que produirait un champ tournant soit engen drée, il faut et il suffit que ces surfaces actives soient respectivement proportionnelles à 1, v 22 et 1,1 et que les deux portions extrêmes de la denture du rotor soient respectivement décalées de -f-135 et -135 par rapport à la portion centrale.
Le moteur qui vient d'être décrit est un moteur à réluctance variable comportant une pluralité de circuits magnétiques en pont , tel que défini ci-dessus. Dans un circuit magnétique en pont, les deux dentures du rotor jouent le rôle de prises de flux mettant chaque extrémité d'une portion de rotor en communication avec chaque pôle de l'aimant par l'intermédiaire des entrefers. Ces derniers constituent ainsi quatre réluc tances variables formant respectivement les quatre branches d'un pont, l'aimant et la portion du rotor étant connectés dans les deux diagonales respectives dudit pont.
Or, si l'on considère l'une des bobines et deux des pièces polaires respectivement positive et négative, cons tituées par les paquets de tôle, on voit que les extrémi tés de la portion de rotor correspondante sont chacune reliées à ces deux pièces polaires. Ce moteur comporte donc bien une pluralité de circuits magnétiques en pont formant une structure radiale.
Comme ces circuits sont identiques et très courts, il est possible d'en prévoir un grand nombre et d'obtenir ainsi un moteur synchrone à grand nombre de pas, donc lent. L'inertie du rotor est très faible.
Pour réaliser la denture du rotor en trois portions décalées comme indiqué ci-dessus, on peut évidem ment, pour constituer la pièce 6, assembler en les décalant trois éléments frittés, munis de dentures droi tes identiques.
Une solution approximative, plus facile à réaliser et satisfaisante en pratique, consiste à former une pièce 6 monobloc et à tailler à la fraise une denture inclinée d'un angle convenable par rapport à l'axe du rotor.
Un autre mode :de réalisation particulièrement adapté aux grandes tailles consiste à constituer les dents du rotor par des empilements de plaques de tôles, suivant une technique identique à celle utilisée pour le stator.
Le moteur représenté aux fig. 3 et 4 est un micro- moteur conçu pour la marche pas à pas commandée par des impulsions de signe constant, fournies par exemple par un circuit de découpage à transistor de type connu, alimenté par une pile unique.
Son stator est constitué par des plaques découpées en tôle magnétique, telles que 21-22, que l'on voit de face à la fig. 3, de profil à la fig. 4. Ces plaques, dispo sées radialement, sont encastrées dans des flasques 23-24. On voit à la fig. 6, les encoches, telles que 25, qui reçoivent les extrémités des tôles et définissent ain si leur position angulaire. Chaque tôle s'appuie sur une portée telle que 26 définie par le moyeu central 24a du flasque correspondant.
Le stator comporte encore, calés entre ces tôles comme le montre la fig. 4, des aimants permanents 27 à 30, avantageusement en matière magnétique plastique moulée. Ces aimants sont disposés parallèlement à l'axe longitudinal du moteur, sur toute sa longueur et aimantés de façon que leurs faces en contact avec les tôles aient les polarités indiquées à la fig. 4.
Le rotor est constitué par un axe 31, par exemple en acier, sur lequel sont emmanchées deux pièces 32 et 33 munies, à leur périphérie, de dentures 34 et 35 respectivement. A la fig 4, on a désigné par les numéros de référence 35a et 35b, deux des dents de la denture 35, qui en comporte 12 dans l'exemple consi déré, où il s'agit d'un moteur à 12 pas par tour. Une entretoise 36 assure la liaison magnétique entre l'axe 31 et les pièces 32 et 33.
Suivant une particularité propre à ce mode d'exé cution du moteur, une pièce annulaire 37 est solidaire de la pièce 32 et porte elle-même une denture périphé rique 38.
Comme on le voit à la fig. 5, la denture 38 com porte 24 dents, telles que 38a, le pas étant de 15 au lieu de 30 pour les pièces 32 et 33.
Une bobine 39 est enfilée sur l'entretoise 36 au moment de l'assemblage.
II est facile de se rendre compte que ce moteur comporte, comme celui des fig. 1 et 2, une pluralité de circuits magnétiques en pont formant une structure radiale.
Comme on le voit à la fig. 4, chacune des huit piè ces polaires du stator est décalée de 1,5 pas par rap port à une pièce polaire adjacente de polarité opposée et, compte tenu de la distribution des dents du rotor, l'une des deux pièces polaires est située en regard d'un intervalle entre deux dents du rotor lorsque l'autre est située en regard d'une dent.
On peut agir sur la phase relative de l'harmonique 2 de la loi de couple du moteur au repos, en vue d'ob tenir une loi optimum, en munissant certaines des piè ces polaires du stator d'une denture à fréquence double de celle que comportent les autres pièces polaires.
Dans le mode d'exécution actuellement décrit, on obtient un résultat analogue en faisant comporter au rotor deux dentures de fréquence N et une denture de fréquence 2 N, cette dernière étant portée par la pièce 37; dans l'exemple considéré, N = 12.
Par ailleurs, lorsqu'on veut commander un moteur à circuits magnétiques en pont au moyen d'impulsions de signe constant, on peut montrer qu'une certaine dis symétrie doit exister entre les faces terminales des piè ces polaires situées de part et d'autre de la bobine, de façon à donner une prédominance, en ce qui concerne le flux, aux pôles positifs situés d'un côté de la bobine et aux pôles négatifs situés de l'autre côté. Cette dissy métrie apparaît à la fig. 3, dans laquelle on voit que la longueur 11 de la branche de gauche de la pièce polaire 21 est inférieure à la longueur 12 de la branche de droite.
Le moteur de la fig. 3, monté suivant un système d'assemblage de tôles radiales analogue à celui de la fig. 1, présente les mêmes avantages.
Il a été possible de montrer que la structure du sta tor, telle qu'elle apparaît à la fig. 4, doit de préférence comporter une symétrie de répétition d'ordre 4 ou multiple de 4, l'effet combiné des imprécisions, inévita bles et parfois relativement importantes, de centrage des pièces polaires d'une part et de distribution angu laire des pièces polaires autour du rotor d'autre part, étant alors particulièrement bien compensé, ce qui revêt une importance pratique notable pour l'obtention d'un fonctionnement correct du moteur avec des tolé rances de fabrication acceptables.
Electric motor intended for use in applications outside the field of time measurement technology There are electric motors which have a stator comprising pole pieces closed by radial ferromagnetic plates, others in which a coating keeps the pole pieces in place and finally motors whose stator comprises a coil and pole pieces fitted with permanent magnets placed on the stator so as to have alternately a south blade and a north pole opposite the motor rotor ; none of these motors has magnetic circuits in the bridge.
Such a magnetic bridge structure is constituted by an elongated rotating armature element passing through a coil along the axis thereof and provided with toothing at each end and by a permanent magnet stator provided with cut pole pieces, each den ture of the armature element forming two air gaps respectively with two pieces, cut out poles of opposite polarities.
The advantages of such a bridge structure result mainly from the fact that the core of the armature transmits only variable fluxes, the sign of which is periodically reversed: it is then possible to give it a reduced section, hence reduction of the size of the coil and its resistance losses.
Furthermore, the magnetic bridge circuit lends itself particularly well to the production of micromotors intended to be supplied in a very simple and economical manner by a direct current source associated with a transistor circuit effecting the cutting of said current into pulses of constant sign. .
The present invention proposes to provide an electric motor intended for use in applications not falling within the field of time measurement technology, exhibiting the same advantages inherent in the magnetic bridge circuit, but having a much easier structure. to be built in large series.
This motor comprises at least one magnetic bridge structure constituted by an elongated rotary armature element passing through a coil along the axis thereof and provided with toothing at each end and a permanent magnet stator provided with cut pole pieces, each toothing of the feed element forming two air gaps respectively with two cut pole pieces of opposite polarities. It is characterized in that said pole pieces are constituted by plates of permeable material arranged radially and between which the magnets are wedged.
In this structure, each of the pairs of pole pieces associated with the respective magnets forms, with a portion of the rotor, a magnetic bridge circuit, so that said structure is finally composed of a plurality of magnetic bridge circuits which cooperate with one another.
The appended drawing illustrates schematically and by way of example two embodiments of the engine according to the invention.
Fig. 1 is a schematic view in axial section of a slow synchronous motor.
Fig.2 is a cross sectional portion of such an engine.
Fig. 3 is an axial sectional view of a micro-motor.
Fig.4 is a sectional view along aa 'of fig. 3.
FIG. 5 is a plan view of the dual-frequency zone which the motor of FIG. 3 and fig. 6 is a plan view of one of the flanges included in the housing of such a motor. In fig. 1, there is shown, seen in section by a plane containing its axis of revolution aa ', a slow synchronous motor whose rotor comprises a non-magnetic axis 1 supported by two bearings 2 and 3 mounted on two flanges 3b-3c and a tubular part 6, made of soft iron, provided with a toothing 7 of pitch P. This part is centered on the axis by two parts 4 and 5.
The stator consists of a plurality of packages of sheets cut in E, such as 8 to 16, fig. 2, arranged radially. The angular positions of the successive packages of sheets correspond alternately, in the example considered, to P (packages 8-9) and to 3 P / 2 (packages 9-10). The coils 17-18 are housed in the annular spaces defined by the notches of the packages of E-sheets.
A permanent magnetic system, 19, of generally annular shape, consists of distinct magnets, such as 19a to 19d, placed between those of the bundles of sheets which form an angle of 3 P / 2 between them, as shown in fig. . 2.
These magnets have poles arranged as shown in fig. 2, the positive poles being in phase with each other, that is to say that all the packets of sheets which constitute the corresponding pole pieces have, for the position of the rotor shown, their ends located opposite the teeth of the rotor, and the negative poles being in phase with each other, but in phase opposition with the positive poles, that is to say that the packets of sheets which constitute the corresponding pole pieces have, for the position of the rotor shown, their ends located next to the intervals between rotor teeth. This result could obviously be obtained with other angular settings of the bundles of sheets.
The stator forms a compact block integral with the cylindrical part 3a of the housing and obtained by molding. The spaces between packets of sheets not occupied by the magnets are filled with plastic (20 for example). The rotor is centered with respect to the stator by the shoulders of the flanges 3b-3c on which the pole pieces bear. This method of construction makes it possible to avoid rectifying the elements of the stator, the cutting of the bundles of sheets having, of course, to be carried out with sufficient precision.
The same sheet metal cutting tool thus makes it possible to produce motors of various sizes very economically.
It is possible to produce, according to the construction method which has just been described, two-phase or, more generally, polyphase motors.
Figs. 1 and 2 illustrate the case of a two-phase motor. The three branches of the E's which constitute the packets of sheets of the stator, form three sets of active surfaces facing three corresponding portions of the teeth of the rotor.
It can be shown that, so that the two-phase motor represented in FIGS. 1 and 2 work, that is to say, for a two-phase counter-electromotive force identical to that produced by a rotating field to be generated, it is necessary and sufficient that these active surfaces be respectively proportional to 1, v 22 and 1.1 and that the two end portions of the teeth of the rotor are respectively offset by -f-135 and -135 with respect to the central portion.
The motor which has just been described is a variable reluctance motor comprising a plurality of magnetic bridge circuits, as defined above. In a magnetic bridge circuit, the two toothings of the rotor act as flux taps putting each end of a rotor portion in communication with each pole of the magnet via the air gaps. The latter thus constitute four variable reluctances respectively forming the four branches of a bridge, the magnet and the portion of the rotor being connected in the two respective diagonals of said bridge.
Now, if we consider one of the coils and two of the respectively positive and negative pole pieces, constituted by the sheet metal bundles, we see that the ends of the corresponding rotor portion are each connected to these two pole pieces. . This motor therefore indeed has a plurality of magnetic bridge circuits forming a radial structure.
As these circuits are identical and very short, it is possible to provide a large number of them and thus obtain a synchronous motor with a large number of steps, and therefore slow. The rotor inertia is very low.
In order to produce the toothing of the rotor in three offset portions as indicated above, it is obviously possible, in order to constitute the part 6, to assemble three sintered elements, provided with identical straight teeth, by offset them.
An approximate solution, easier to achieve and satisfactory in practice, consists in forming a one-piece part 6 and in cutting, with a milling cutter, a toothing which is inclined at a suitable angle relative to the axis of the rotor.
Another embodiment: particularly suitable for large sizes consists in constituting the teeth of the rotor by stacks of sheet metal plates, using a technique identical to that used for the stator.
The motor shown in fig. 3 and 4 is a micro-motor designed for stepping controlled by pulses of constant sign, supplied for example by a transistor chopping circuit of known type, supplied by a single battery.
Its stator is formed by plates cut out of magnetic sheet, such as 21-22, which can be seen from the front in FIG. 3, in profile in FIG. 4. These plates, arranged radially, are embedded in flanges 23-24. We see in fig. 6, the notches, such as 25, which receive the ends of the sheets and thus define their angular position. Each sheet rests on a bearing surface such as 26 defined by the central hub 24a of the corresponding flange.
The stator also comprises, wedged between these sheets as shown in FIG. 4, permanent magnets 27 to 30, advantageously of molded plastic magnetic material. These magnets are arranged parallel to the longitudinal axis of the motor, over its entire length and magnetized so that their faces in contact with the sheets have the polarities indicated in FIG. 4.
The rotor is constituted by an axis 31, for example made of steel, on which are fitted two parts 32 and 33 provided, at their periphery, with teeth 34 and 35 respectively. In FIG. 4, the reference numbers 35a and 35b denote two of the teeth of the toothing 35, which has 12 of them in the example considered, where it is a motor with 12 steps per revolution. . A spacer 36 provides the magnetic connection between the axis 31 and the parts 32 and 33.
According to a feature specific to this mode of execution of the engine, an annular part 37 is integral with the part 32 and itself carries a peripheral toothing 38.
As seen in fig. 5, toothing 38 com carries 24 teeth, such as 38a, the pitch being 15 instead of 30 for parts 32 and 33.
A coil 39 is threaded over the spacer 36 at the time of assembly.
It is easy to see that this motor comprises, like that of FIGS. 1 and 2, a plurality of magnetic bridge circuits forming a radial structure.
As seen in fig. 4, each of the eight stator pole pieces is offset by 1.5 steps with respect to an adjacent pole piece of opposite polarity and, given the distribution of the rotor teeth, one of the two pole pieces is located in look at an interval between two rotor teeth when the other is located opposite a tooth.
It is possible to act on the relative phase of harmonic 2 of the torque law of the motor at rest, in order to obtain an optimum law, by providing some of the pole pieces of the stator with teeth at a frequency twice that than the other pole pieces.
In the embodiment currently described, a similar result is obtained by causing the rotor to include two toothings of frequency N and one toothing of frequency 2 N, the latter being carried by part 37; in the example considered, N = 12.
Moreover, when we want to control a motor with magnetic circuits in bridge by means of pulses of constant sign, we can show that a certain dis-symmetry must exist between the end faces of the poles situated on either side. of the coil, so as to give a predominance, as regards the flux, to the positive poles on one side of the coil and to the negative poles on the other side. This dissymmetry appears in fig. 3, in which it can be seen that the length 11 of the left branch of the pole piece 21 is less than the length 12 of the right branch.
The motor of FIG. 3, mounted in a radial plate assembly system similar to that of FIG. 1, has the same advantages.
It was possible to show that the structure of the sta tor, as it appears in fig. 4, should preferably include a repetition symmetry of order 4 or multiple of 4, the combined effect of the unavoidable and sometimes relatively large inaccuracies of the centering of the pole pieces on the one hand and of the angular distribution of the pole pieces around the rotor on the other hand, being then particularly well compensated, which is of considerable practical importance for obtaining correct operation of the motor with acceptable manufacturing tolerances.