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Dispositif de balancier régulateur et moteur de pièce d'horlogerie électrique La présente invention a pour objet un dispositif de balancier régulateur et moteur de pièce d'horlogerie électrique. Ce dispositif, susceptible d'être utilisé dans une montre ou une pendulette électrique, fonctionne sur une source d'énergie à courant continu (pile, accumulateur ou courant alternatif redressé).
Il est caractérisé en ce que le balancier comprend au moins deux enroulements solidaires d'un arbre soumis à l'action d'un ressort de rappel spiral, se déplaçant librement dans les entrefers d'un circuit magnétique fixe, limités, d'une part, par des pôles de signes alternés affectant la forme de pales, et, d'autre part, par une pièce de fer doux, un interrupteur relié en série avec lesdits enroulements et avec une source de courant continu et dont un des organes de contact est monté sur le balancier et l'autre sur le bâti, de telle manière qu'il soit fermé lorsque le balancier se trouve dans sa position d'équilibre statique et qu'il s'ouvre lorsque le balancier s'est écarté d'un certain angle de cette position, le tout de façon qu'au moment de la fermeture de cet interrupteur,
chaque enroulement soit en regard d'une pale et que le courant traversant à ce moment les enroulements, engendre dans chacun d'eux un flux de sens opposé au flux magnétique polaire, ce qui a pour effet de soumettre le balancier, lorsqu'il a dépassé, pendant son oscillation, ladite position d'équilibre statique, à des couples électromagnétiques de durée limitée qui, se répétant à chaque alternance, entretiennent le mouvement du balancier.
Le dessin représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention et des variantes. La fig. 1 représente la partie oscillante et le montage électrique d'une première forme d'exécution pour une pendulette.
La fig. 2 est une coupe perpendiculaire à l'axe d'oscillations du stator et du balancier, représenté partiellement à la fig. 1.
La fig. 3 en est une vue en perspective partielle. La fig. 4 est une vue en perspective d'un élément du stator.
La fig. 5 est une vue partielle en perspective d'une variante de la forme d'exécution, représentée aux fig. 1 à 4.
La fig. 6 est une variante du stator de la première forme d'exécution.
La fig. 7 est une variante de la première forme d'exécution comprenant un aimant hexapolaire formé par une seule pièce.
La fig. 8 est une vue en plan schématique d'une seconde forme d'exécution pour une montre.
La fig. 1 représente la partie électrique du balancier, constitué dans cet ensemble par deux enroulements rectangulaires 1 et 2, incurvés suivant un arc dont le rayon est celui de la circonférence décrite autour de l'arbre 3 pivoté entre deux crapaudines et solidaire du spiral réglant 4.
Les bobines 1 et 2 sont en série, une entrée étant reliée à l'arbre 3 et la sortie à un plot 5 isolé porté par le balancier, ce plot pouvant venir en contact avec la lamelle 6 isolée de la masse, la source 7 étant connectée à la lamelle, d'une part, et à la masse , d'autre part. Le circuit se ferme par le spiral. Les
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flèches i indiquent le sens du courant parcourant les cadres lorsque le contact est établi et les flèches en pointillé, la direction du flux magnétique.
Les parties des conducteurs engendrant des forces électromagnétiques sont celles disposées suivant les génératrices du cylindre décrit, c'est-à-dire a - b et c - d pour l'enroulement 1, et a' - b' et c - d pour l'enroulement 2, les parties incurvées n'intervenant pas dans la production du couple. La fig. 2 représente l'agencement constructif du circuit magnétique et la position des enroulements 1 et 2 au moment où a lieu le contact dans les deux sens de l'oscillation du balancier.
Les flèches en pointillé indiquent la direction du flux émané des pièces polaires et les flèches en traits pleins, la direction du flux propre des bobines. Ce sens relatif doit être rigoureusement observé pour obtenir le fonctionnement correct. 10 est un cylindre de fer doux pour la fermeture du flux de pôles à pôles.
Comme représenté en perspective sur la fig. 3, le stator magnétique est constitué par un aimant cylindrique central 12 aimanté longitudinalement, c'est-à-dire portant à ses deux extrémités des polarités Nord et Sud ; il est constitué en alliage très coercitif plein ou en poudre agglomérée suivant la technique de fabrication connue.
Selon sa constitution, il est percé de bout en bout dans la partie axiale, d'un trou pour le passage de l'arbre, ou ne porte qu'un petit évidement susceptible de recevoir une crapaudine; dans ce cas, l'équipage mobile est pivoté entre cette crapaudine enchassée au centre de l'aimant et une deuxième crapaudine ou pierre percée fixée à un pont de la platine supérieure. La distribution symétrique des pôles telle que représentée (fig. 2 et 3), à savoir trois pôles Nord à 120 degrés alternant avec trois pôles Sud à 120 degrés, est obtenue par deux pièces en tôle de fer très perméable 8 et 9, ayant la forme d'une étoile à trois branches ou pales, comme représenté par 8, sur.la fig. 4.
Un tel élément est obtenu par découpage à l'emporte-pièce et cambrage des branches ; les deux pièces sont fixées aux deux extrémités de l'aimant, par exemple par rivetage, emboutissage, ou, comme il est représenté fig. 4, par une petite tige filetée ou une plaquette percée emboutie si l'aimant est percé de bout en bout suivant la fig. 5, ou pleine avec un trou noyé à la partie supérieure, destiné à recevoir la crapaudine de pivotement de l'arbre du balancier. Le flux magnétique, d'un pôle à l'autre, se ferme par un cy- lindre en tôle de fer perméable 10 (fig. 2 et suivantes).
Comme on le voit, tous les éléments magnétiques, ainsi que les bobinages, sont de révolution autour de l'axe central 3 et les actions motrices qui s'exercent sur les conducteurs disposés suivant les génératrices du cylindre décrit, donnent lieu à des forces tangentielles qui tendent à entraîner l'équipage mobile (balancier) dans un sens ou dans l'autre, selon le sens de dépassement de l'axe des bobines, par rapport à l'axe médian du pôle qu'elles recouvrent au moment où le contact est établi, c'est-à-dire suivant le sens de l'oscillation du balancier.
Il est facile de voir (sur la fig. 2, par exemple), où on a représenté la position relative des deux bobines au moment où le contact est établi, position où les deux bobines sont exactement en vis-à-vis des pôles Nord et Sud, et à égale distance angulaire de deux pôles de nom contraire, que le pôle N exerce une répulsion sur la bobine 1, de même que le pôle S sur la bobine 2.
Cette position est un point mort et les deux bobines, à l'état statique, ne seraient soumises à aucune force motrice dans cette position symétrique, mais en période dynamique, c'est-à-dire si le balancier a déjà amorcé une oscillation préalable la plus petite inclinaison d'une des bobines, par rapport à l'axe symétrique, donnera naissance à une force électromagnétique dirigée dans le sens de l'inclinaison, de même pour l'autre bobine, par conséquent, toujours dirigée dans le sens du mouvement angulaire du balancier.
Les forces exercées sur les deux bobines sont concordantes pour former un couple. Au moment du contact, pour un sens de rotation quelconque, le couple électrique qui était nul, croît rapidement, puis tendrait à décroître jusqu'à retomber à zéro au moment où la partie médiane du bobinage se trouverait en vis-à-vis de l'un des deux pôles de nom contraire immédiatement voisins, position pour laquelle il y a attraction et équilibre stable, mais le contact est rompu avant d'atteindre cette position,
pour un parcours correspondant à la région avoisinante du sommet de la courbe des couples. Le balancier est alors affranchi de toute force active ou passive et est seulement soumis à la force vive emmagasinée par sa masse et à l'élasticité de son ressort spiral. Il atteint son élongation maxima, repasse par la position précédente et le contact étant de nouveau établi, il reçoit une nouvelle impulsion et ainsi de suite.
Les pôles qui, pour l'exemple choisi (fig. 2), encadrent les pôles répulsifs, S-S pour la bobine 1 et N-N pour la bobine 2, exercent deux forces symétriques attractives égales et opposées lorsque les bobines se trouvent symétriquement à égale distance des cornes polaires, mais, pour un petit déportement à droite ou à gauche de cet axe médian symétrique, un des faisceaux s'éloigne d'un pôle et se rapproche de l'autre. La force électromagnétique du pôle le plus rapproché devient prépondérante et s'ajoute à la force répulsive exercée par le pôle médian. C'est la direction du balancier avant de toucher le contact, qui impose le sens favorable de la force motrice.
L'équipage mobile ne comportant que des enroulements sans fer et aucune pièce métallique, les pertes par hystérésis et courant de Foucault sont évitées.
Les seules pertes qui se produisent sont celles par effet Joule dans le bobinage, très réduites en période dynamique du fait de la force contre-électromotrice qui tend à diminuer le courant de circula- tion. Cette force contre-électromotrice est relativement élevée, étant donné qu'au moment où se produit le contact, la vitesse angulaire du balancier est maxima et que les enroulements en fil fin à spires nombreuses coupent à angle droit, un champ magné-
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tique intense dans un entrefer étroit. La multiplication des bobines augmente encore cet effet.
Sur la fig. 5, on a représenté les éléments magnétiques d'un dispositif bipolaire. Dans cet exemple, le fonctionnement est le même que celui décrit pour la fi g. 2, sauf que s'exercent seuls les effets répulsifs qui tendent à éloigner les deux cadres des pièces polaires, lorsque ceux-ci subissent un écart de part et d'autre de la position médiane. L'arbre 3 traverse entièrement l'aimant qui est soutenu d'un côté par un tube 19 en matière non magnétique enchassé dans la platine.
La fig. 6 est une variante du circuit magnétique de la fig. 3, comportant de même un aimant rectiligne central 12 aimanté Nord-Sud à ses deux bouts, lesquels sont en contact avec deux rondelles en fer doux 14a -14b portant les lamelles ou pales 15 en fer doux, disposées en quinconce, de façon à faire alterner les six polarités successives sur toute la circonférence.
Les fig. 7 et 8 représentent la disposition préférée donnant un couple maximum et une consommation minima. L'agencement général et le principe de fonctionnement sont les mêmes que ceux décrits pour les fig. 1 à 6, mais il y a trois bobines motrices l-2-3 à 120 degrés l'une de l'autre, en vis-à-vis de trois pôles de même nom, pour la position où s'effectue le contact, les trois bobines étant électriquement en série ; bien entendu, le circuit magnétique avec aimant central unique (fig. 2 et 3) conviendrait bien et c'est seulement à titre de variante qu'on a représenté, sur la fig. 7, un stator à aimant massif, denté 16 comme celui des petits alternateurs à six pôles alternés.
Les agencements constructifs décrits pour les fig. 1 à 7, convenant de préférence aux montres cylindriques (pendulettes, montre auto, etc.), lorsqu'on doit loger tout le mouvement dans un boîtier très plat (montre de gousset, montre-bracelet), les enroulements sont disposés dans un plan parallèle au cadran de la montre, suivant la fig. 8, ce qui ne change rien au principe de l'invention. L'aimant 17 a alors la forme d'un disque plat à six pôles séparés par six encoches.
Les parties actives des conducteurs des trois enroulements sont celles en direction radiale et les enroulements se déplacent entre les surfaces polaires et une plaquette de fer doux (non représentée) ayant le même profil que l'aimant et par où se ferme le flux de pôle à pôle à travers les surfaces des enroulements. De même que pour les figures précédentes, les flux polaires, à l'instant du contact, sont en opposition avec les flux des enroulements en vis-à- vis alors que les pôles non recouverts par les enroulements ont des flux de même sens.
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The object of the present invention is a regulating balance device and motor for an electric timepiece. This device, which can be used in an electric watch or clock, operates on a direct current energy source (battery, accumulator or rectified alternating current).
It is characterized in that the balance comprises at least two windings integral with a shaft subjected to the action of a spiral return spring, moving freely in the air gaps of a fixed magnetic circuit, limited, on the one hand. , by poles of alternating signs affecting the shape of blades, and, on the other hand, by a piece of soft iron, a switch connected in series with said windings and with a source of direct current and of which one of the contact members is mounted on the balance and the other on the frame, in such a way that it is closed when the balance is in its position of static equilibrium and that it opens when the balance has deviated from a certain angle of this position, all so that when this switch is closed,
each winding is facing a blade and that the current passing through the windings at this time, generates in each of them a flow in the opposite direction to the polar magnetic flux, which has the effect of subjecting the balance, when it has exceeded, during its oscillation, said static equilibrium position, to electromagnetic torques of limited duration which, repeating at each alternation, maintain the movement of the balance.
The drawing shows, by way of example, two embodiments of the object of the invention and variants. Fig. 1 shows the oscillating part and the electrical assembly of a first embodiment for a clock.
Fig. 2 is a section perpendicular to the axis of oscillation of the stator and of the balance, shown partially in FIG. 1.
Fig. 3 is a partial perspective view. Fig. 4 is a perspective view of an element of the stator.
Fig. 5 is a partial perspective view of a variant of the embodiment, shown in FIGS. 1 to 4.
Fig. 6 is a variant of the stator of the first embodiment.
Fig. 7 is a variant of the first embodiment comprising a six-pole magnet formed by a single piece.
Fig. 8 is a schematic plan view of a second embodiment for a watch.
Fig. 1 shows the electrical part of the balance, consisting in this assembly by two rectangular windings 1 and 2, curved in an arc whose radius is that of the circumference described around the shaft 3 pivoted between two sliders and secured to the regulating balance spring 4.
Coils 1 and 2 are in series, an input being connected to the shaft 3 and the output to an insulated pad 5 carried by the balance, this pad being able to come into contact with the blade 6 isolated from the ground, the source 7 being connected to the lamella, on the one hand, and to ground, on the other hand. The circuit closes with the hairspring. The
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arrows i indicate the direction of the current flowing through the frames when contact is made and the dotted arrows indicate the direction of the magnetic flux.
The parts of the conductors generating electromagnetic forces are those arranged along the generatrices of the cylinder described, that is to say a - b and c - d for winding 1, and a '- b' and c - d for the 'winding 2, the curved parts not involved in the production of the torque. Fig. 2 shows the constructional arrangement of the magnetic circuit and the position of the windings 1 and 2 at the moment when the contact takes place in the two directions of the oscillation of the balance.
The dotted arrows indicate the direction of the flow emanating from the pole pieces and the solid arrows indicate the direction of the own flow of the coils. This relative sense must be strictly observed to obtain correct operation. 10 is a soft iron cylinder for pole-to-pole flow closure.
As shown in perspective in FIG. 3, the magnetic stator is constituted by a central cylindrical magnet 12 magnetized longitudinally, that is to say carrying North and South polarities at its two ends; it is made of a solid very coercive alloy or an agglomerated powder according to the known manufacturing technique.
According to its constitution, it is drilled from end to end in the axial part, with a hole for the passage of the shaft, or only bears a small recess capable of receiving a slider; in this case, the moving part is pivoted between this clamp embedded in the center of the magnet and a second clamp or pierced stone fixed to a bridge of the upper plate. The symmetrical distribution of the poles as represented (fig. 2 and 3), namely three North poles at 120 degrees alternating with three South poles at 120 degrees, is obtained by two pieces of highly permeable sheet iron 8 and 9, having the shape of a star with three branches or blades, as represented by 8, in fig. 4.
Such an element is obtained by punching and bending the branches; the two parts are fixed to the two ends of the magnet, for example by riveting, stamping, or, as shown in fig. 4, by a small threaded rod or a stamped drilled plate if the magnet is drilled from end to end according to fig. 5, or solid with a drilled hole in the upper part, intended to receive the pivoting block of the balance shaft. The magnetic flux, from one pole to the other, is closed by a cylinder made of permeable iron sheet 10 (fig. 2 and following).
As can be seen, all the magnetic elements, as well as the coils, are of revolution around the central axis 3 and the driving actions which are exerted on the conductors arranged along the generatrices of the cylinder described, give rise to tangential forces which tend to drive the moving part (pendulum) in one direction or the other, depending on the direction of overrun of the axis of the coils, with respect to the median axis of the pole which they cover when the contact is established, that is to say according to the direction of the oscillation of the balance.
It is easy to see (in fig. 2, for example), where we have shown the relative position of the two coils at the moment when contact is established, position where the two coils are exactly opposite the North poles. and South, and at an equal angular distance from two poles of opposite name, that the N pole exerts a repulsion on the coil 1, as well as the S pole on the coil 2.
This position is a dead point and the two coils, in the static state, would not be subjected to any driving force in this symmetrical position, but in a dynamic period, that is to say if the balance has already initiated a previous oscillation. the smallest inclination of one of the coils, with respect to the symmetrical axis, will give rise to an electromagnetic force directed in the direction of the inclination, the same for the other coil, therefore, always directed in the direction of the angular movement of the balance.
The forces exerted on the two coils are concordant to form a couple. At the moment of contact, for any direction of rotation, the electric torque, which was zero, increases rapidly, then tends to decrease until it drops back to zero when the middle part of the winding is opposite l 'one of the two immediately neighboring poles of opposite name, a position for which there is attraction and stable equilibrium, but contact is broken before reaching this position,
for a route corresponding to the region surrounding the top of the torque curve. The balance is then freed from any active or passive force and is only subjected to the living force stored by its mass and to the elasticity of its spiral spring. It reaches its maximum elongation, returns to the previous position and contact being established again, it receives a new impulse and so on.
The poles which, for the example chosen (fig. 2), frame the repulsive poles, SS for coil 1 and NN for coil 2, exert two symmetrical attractive forces, equal and opposite when the coils are located symmetrically at an equal distance from each other. polar horns, but, for a small shift to the right or to the left of this symmetrical median axis, one of the beams moves away from one pole and approaches the other. The electromagnetic force of the nearest pole becomes preponderant and is added to the repulsive force exerted by the middle pole. It is the direction of the balance before touching the contact, which imposes the favorable direction of the driving force.
As the moving assembly only comprises windings without iron and no metal parts, losses by hysteresis and eddy current are avoided.
The only losses that occur are those caused by the Joule effect in the winding, which is very small in the dynamic period due to the back-electromotive force which tends to reduce the circulating current. This counter-electromotive force is relatively high, given that at the moment when the contact occurs, the angular speed of the balance is maximum and that the fine wire windings with many turns cut at right angles, a magnetic field.
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intense tick in a narrow air gap. The multiplication of the coils further increases this effect.
In fig. 5 shows the magnetic elements of a bipolar device. In this example, the operation is the same as that described for fi g. 2, except that only the repulsive effects are exerted which tend to move the two frames away from the pole pieces, when they undergo a gap on either side of the middle position. The shaft 3 passes entirely through the magnet which is supported on one side by a tube 19 of non-magnetic material embedded in the plate.
Fig. 6 is a variant of the magnetic circuit of FIG. 3, likewise comprising a central rectilinear magnet 12 magnetized North-South at its two ends, which are in contact with two soft iron washers 14a -14b carrying the blades or blades 15 of soft iron, arranged in staggered rows, so as to make alternate the six successive polarities around the entire circumference.
Figs. 7 and 8 represent the preferred arrangement giving maximum torque and minimum consumption. The general arrangement and the principle of operation are the same as those described for FIGS. 1 to 6, but there are three motor coils l-2-3 at 120 degrees from each other, opposite three poles of the same name, for the position where the contact is made, the three coils being electrically in series; of course, the magnetic circuit with a single central magnet (fig. 2 and 3) would be suitable and it is only as a variant that we have shown in fig. 7, a massive magnet stator, toothed 16 like that of small alternators with six alternating poles.
The constructive arrangements described for FIGS. 1 to 7, preferably suitable for cylindrical watches (clocks, car watches, etc.), when the whole movement must be housed in a very flat case (pocket watch, wristwatch), the windings are arranged in a plane parallel to the face of the watch, according to fig. 8, which does not change the principle of the invention. The magnet 17 then has the shape of a flat disc with six poles separated by six notches.
The active parts of the conductors of the three windings are those in the radial direction and the windings move between the pole surfaces and a soft iron plate (not shown) having the same profile as the magnet and through which the flow from pole to pole closes. pole through the surfaces of the windings. As in the previous figures, the polar fluxes, at the instant of contact, are in opposition to the fluxes of the windings opposite each other, while the poles not covered by the windings have fluxes in the same direction.