Moteur électrique Pour l'entretien de mouvements mécaniques quel conques à l'aide d'une source de courant continu, on utilise généralement des moteurs à courant con tinu comportant, en principe, un stator, un rotor, et un dispositif de commutation ou d'interruption du courant constitué, dans la plupart des cas, par un collecteur.
Lorsqu'il s'agit de micro-moteurs ayant à fournir une très faible puissance mécanique et ali mentés par une faible source de courant à basse ten sion telle que, par exemple, une pile, un accumula teur, un convertisseur de rayonnement électromagné tique ou corpusculaire en énergie électrique ou un convertisseur d'énergie calorique ou mécanique, le collecteur présente divers inconvénients ; ces incon vénients, dus principalement au fait que le collecteur fonctionne par contacts, sont les suivants. : incertitude de fermeture intime du contact, altération due à la corrosion, poussière ou usure, variations de tension et résistance de contact, frottement mécanique, etc.
Le frottement mécanique et la chute de tension au contact absorbent dans le cas des micro-moteurs une partie importante de l'énergie fournie par la source de courant ; il en résulte une diminution du rende ment du moteur et une augmentation de la consom mation de courant à vide et en charge: au surplus la vie des dispositifs à contacts est limitée (1000 heures environ pour les micro-moteurs).
La présente invention vise à remédier à ces in convénients en remplaçant le dispositif commutateur par un dispositif amplificateur électronique recevant à l'entrée une tension induite dérivée du mouvement du moteur par induction électrodynamique et four nissant à la sortie la puissance nécessaire pour entre tenir le mouvement du moteur.
Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet un moteur électrique, notamment de faible puissance, comprenant un rotor et un stator, et caractérisé en ce que l'un de ces éléments comporte au moins deux bobines dont l'une est une bobine de commande et l'autre une bobine d'entretien du mouvement du rotor, ces bobines étant connectées respectivement dans les circuits d'entrée et de sortie d'un dispositif amplificateur électronique, tandis que l'autre élément comporte au moins un aimant permanent destiné d'une part à induire une tension de commande dans la bobine de commande, et, d'autre part, à coopérer avec la bobine d'entretien pour fournir un couple mécanique assurant l'entretien du mouvement du rotor,
le dispositif amplificateur électronique réglant le débit du courant alimentant la bobine d'entretien.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du moteur objet de l'in vention. La fig. 1 représente un schéma du circuit électri que d'un moteur comprenant un transistor comme amplificateur.
La fig. 2 est une vue en perspective d'une pre mière forme d'exécution, dont la fig. 3 est une vue schématique en coupe ver ticale et la fig. 4 une vue schématique en plan.
La fig. 5 est une coupe verticale d'une seconde forme d'exécution, dont la fig. 6 est une vue en plan avec parties en coupe. Le circuit électrique représenté dans la fig. 1 est celui du micro-moteur des fig. 2 à 4. Il comporte une batterie 1 qui peut être, par exemple, une pile de lampe de poche à 1,5 volt, un transistor 2, une résistance 3, une bobine de commande 4 connectée à l'entrée (entre l'émetteur et la base) du transistor 2 à travers ladite résistance 3, et une bobine 5 dite d'entretien du mouvement, connectée d'une part à la batterie 1 et d'autre part à l'émetteur du transistor 2.
Les bobines de commande 4 et d'entretien 5 sont des solénoïdes sans matière aimantable qui forment le stator du moteur dont le rotor est constitué par un axe 6 portant deux culasses rectilignes parallèles 7 et 8 en matière aimantable douce, aux extrémités desquelles sont fixés des aimants permanents 9, 10, 11, 12 à grande force coercitive (par exemple supé rieure à 300 Oersted).
L'axe 6 est pivoté d'une part dans un palier de butée 13 noyé dans une platine l4a qui forme le fond d'un boitier 14 en matière synthétique isolante moulée, et d'autre part dans un palier 15 fixé dans un pont 16 vissé audit boitier par des pieds 17 et 18 (fig. 2). Les deux culasses 7 et 8 sont fixées sur l'axe respectivement au-dessus et au-dessous des bobines 4 et 5.
Ces dernières sont des bobines plates de faible épaisseur, sans matière aimantable, de forme générale ovale dont l'axe de symétrie commun passe par l'axe 6 et dont les pointes sont dirigées vers cet axe et les flancs au moins approximativement radiaux (fig. 4). La bobine de commande 4 est plus. étroite que la bobine d'entre tien 5.
Les aimants permanents 9, 10, 11 et 12 sont disposés de telle façon que lorsqu'un côté d'une des bobines se trouve entre les aimants 9 et 11, le côté opposé de l'autre bobine se trouve entre les aimants 10 et 12. Les bobines 4 et 5 sont fixées aux parois latérales du boitier 14 par des brides non représen tées. Le socle 14 porte encore un levier de lancement du rotor non représenté.
Le fonctionnement du micro-moteur représenté dans les fig. 1 à 4 est le suivant : le rotor ayant été préalablement lancé, indifféremment dans un sens ou dans l'autre, les aimants permanents 10 et 12 indui sent dans la bobine de commande 4 une tension qui est appliquée à l'entrée du transistor 2 à travers la résistance 3 à laquelle on donne une valeur appro priée pour obtenir un rendement optimum du moteur et, suivant le couplage magnétique entre la bobine de commande et la bobine d'entretien, diminuer ou sup primer l'amorçage éventuel d'une auto-oscillation entre ces deux bobines. La puissance fournie par la batterie 1 commandée par le transistor 2 est débitée dans le circuit de sortie de ce dernier à travers la bobine d'entretien 5.
Les aimants 9 et 11 et la bobine 5 sont polarisés de telle manière que le cou rant i2 (fig. 1) passant par la bobine 5 donne avec le champ existant entre les aimants 9 et 11 une force dirigée dans le sens de rotation du rotor, et entre tienne par conséquent ce mouvement. Lorsque les aimants 9 et 11 se trouvent en regard de la bobine de commande 4, ils induisent dans cette dernière une tension de sens opposé, mais puisque dans ce sens de polarisation le circuit d'entrée du transistor 2 est pratiquement bloqué, aucun courant 12 ne peut passer par la bobine d'entretien 5. La prochaine impulsion se produit lorsque les aimants 10 et 12 se trouvent à nouveau en regard de la bobine 4 et les aimants 9 et 11 en regard de la bobine 5. Le cycle se répète dans le sens de rotation du rotor.
Il est avantageux de disposer les organes créant le champ magnétique aussi près que possible de l'entrefer traversé par ce champ, de façon à perdre le moins de flux possible par les lignes de fuite qui passent en dehors de l'entrefer utile. Il est aussi avantageux que les deux culasses soient au même potentiel magnétique de façon à ne pas perdre de flux utile par des lignes de force qui pourraient se former directement entre les culasses, des deux côtés de l'entrefer. Les culasses étant en matière aiman- table douce et n'étant pas saturées par le flux magné tique, n'absorbent pratiquement pas de tension ma gnétique.
D'autre part, si ces culasses sont au même potentiel magnétique, on peut les fixer sur un axe 6 en matière magnétique sans risquer une perte de flux utile à travers cet axe. Les aimants 9, 11 sont polarisés comme indiqué dans la fig. 3 et ils sont dimensionnés de façon à fournir chacun le même champ magnétique. On pourrait supprimer les ai mants 11 et 12 en doublant la longueur des aimants 9 et 10 ou vice versa, tout en maintenant les culasses 7 et 8 au même potentiel magnétique.
On pourrait aussi inverser la polarité des aimants 9 et 11 tout en maintenant les culasses 7 et 8 au même potentiel magnétique, mais dans ce cas les deux chemins du flux magnétique, d'une part à tra vers les aimants 9 et 11 et d'autre part à travers les aimants 10 et 12, devraient se fermer à travers l'axe 6 qui devrait alors être obligatoirement en ma tière aimantable douce et d'une section suffisante pour n'être pas saturé par le flux magnétique. Si on renonçait à l'avantage des culasses au même potentiel magnétique, on pourrait remplacer la partie de l'axe 6 située entre les culasses 7 et 8 par un seul aimant et remplacer les aimants 9, 10, 11 et 12 par des pièces polaires en matière aimantable douce.
Il est avantageux de construire les bobines 4 et 5 aussi plates que possible pour réaliser un petit entre- fer et une grande induction magnétique. Il est aussi avantageux de construire ces bobines sans matière aimantable pour éviter les pertes d'énergie dues d'une part aux variations du flux dans les noyaux (par exemple par hystérèse et courants de Foucault), et d'autre part à la friction accrue dans les paliers 13 et 15 qui résulterait d'une attraction magnétique entre la matière aimantable du stator et les aimants du rotor.
En donnant aux bobines 4 et 5 la forme ovale représentée avec leur axe de symétrie commun pas sant par l'axe 6, on vise l'obtention d'une tension induite sur la plus grande partie de la longueur de chaque bobine en diminuant la partie dans laquelle il n'y a pas de tension induite et dans laquelle la bobine ne présente qu'une résistance ohmique con sommant de l'énergie en pure perte.
On obtient un rendement optimum en ne per mettant au courant 12 de circuler que lorsque toutes les spires de la bobine d'entretien 5 se trouvent entièrement entre deux aimants superposés 9 et 11 ou 10 et 12 et sont donc traversées par un flux maximum. Pour parvenir à ce résultat, il est avan tageux de faire les deux bobines moins larges que les aimants et la bobine de commande 4 plus étroite que la bobine d'entretien 5 de façon à induire dans la bobine de commande 4 une tension qui ne fait tra verser le transistor 2 par le courant d'entretien i, que dans une position du rotor oà les spires de la bobine d'entretien 5 sont coupées par le flux magné tique maximum.
Le micro-moteur représenté dans les fig. 5 et 6 comporte un axe 20 pivoté dans des paliers 21 et 22 fixés respectivement dans le fond d'un socle 23 et dans le fond d'un couvercle cylindrique 24. L'axe 20 porte deux culasses annulaires concentriques 25 et 26. Au socle 23 sont fixées quatre bobines en forme de segments annulaires : l'une de ces bobines 27 est une bobine de commande et les trois autres 28 sont des bobines d'entretien. La culasse extérieure 26 est supportée par un moyeu 29 en matière non magnétique fixé sur l'axe 20 et relié à la culasse par quatre bras 30.
La culasse intérieure 25 porte quatre aimants permanents 31 à polarités alternati vement inversées, comme indiqué dans la fig. 6.
Les quatre bobines 27 et 28 ont une forme générale rectangulaire incurvée de façon à épouser l'enveloppe d'un cylindre ; elles n'ont pas de noyau en matière aimantable.
Grâce au fait que ce moteur comprend trois bobines d'entretien pour une seule bobine de com mande, et grâce à la disposition concentrique des culasses et des bobines, ce moteur peut atteindre une plus grande puissance pour un même encombrement que celui des fig. 2 à 4.
Il va sans dire que dans l'une et l'autre forme d'exécution on pourrait inverser la disposition des aimants et des bobines, les aimants faisant partie du stator et les bobines faisant partie du rotor.
Electric motor For the maintenance of any mechanical movements using a direct current source, direct current motors are generally used comprising, in principle, a stator, a rotor, and a switching or switching device. interruption of the current constituted, in most cases, by a collector.
In the case of micro-motors having to provide very low mechanical power and supplied by a weak low-voltage current source such as, for example, a battery, an accumulator, an electromagnetic radiation converter or particle to electrical energy or a caloric or mechanical energy converter, the collector has various drawbacks; these drawbacks, mainly due to the fact that the collector operates by contacts, are as follows. : uncertainty of intimate contact closure, deterioration due to corrosion, dust or wear, variations in contact voltage and resistance, mechanical friction, etc.
In the case of micro-motors, mechanical friction and the drop in voltage on contact absorb a large part of the energy supplied by the current source; this results in a reduction in the efficiency of the motor and an increase in the consumption of current at no-load and under load: in addition, the life of the contact devices is limited (approximately 1000 hours for micro-motors).
The present invention aims to remedy these drawbacks by replacing the switching device by an electronic amplifier device receiving at the input an induced voltage derived from the movement of the motor by electrodynamic induction and furnishing at the output the power necessary to maintain the movement. of the motor.
To achieve this aim, the invention relates to an electric motor, in particular of low power, comprising a rotor and a stator, and characterized in that one of these elements comprises at least two coils, one of which is a coil. control and the other a maintenance coil of the movement of the rotor, these coils being respectively connected in the input and output circuits of an electronic amplifier device, while the other element comprises at least one permanent magnet intended on the one hand to induce a control voltage in the control coil, and, on the other hand, to cooperate with the maintenance coil to provide a mechanical torque ensuring the maintenance of the movement of the rotor,
the electronic amplifier device regulating the flow of the current supplying the maintenance coil.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the engine which is the subject of the invention. Fig. 1 represents a diagram of the electric circuit of a motor comprising a transistor as amplifier.
Fig. 2 is a perspective view of a first embodiment, of which FIG. 3 is a schematic view in vertical section and FIG. 4 a schematic plan view.
Fig. 5 is a vertical section of a second embodiment, of which FIG. 6 is a plan view with parts in section. The electrical circuit shown in fig. 1 is that of the micro-motor of FIGS. 2 to 4. It has a battery 1 which can be, for example, a 1.5 volt flashlight battery, a transistor 2, a resistor 3, a control coil 4 connected to the input (between the emitter and base) of transistor 2 through said resistor 3, and a so-called movement maintenance coil 5, connected on the one hand to battery 1 and on the other hand to the emitter of transistor 2.
The control 4 and maintenance coils 5 are solenoids without magnetizable material which form the stator of the motor, the rotor of which is constituted by an axis 6 carrying two parallel rectilinear yokes 7 and 8 of soft magnetizable material, at the ends of which are fixed permanent magnets 9, 10, 11, 12 with high coercive force (for example greater than 300 Oersted).
The axis 6 is pivoted on the one hand in a thrust bearing 13 embedded in a plate 14a which forms the bottom of a housing 14 of molded insulating synthetic material, and on the other hand in a bearing 15 fixed in a bridge 16 screwed to said box by feet 17 and 18 (fig. 2). The two yokes 7 and 8 are fixed on the axis respectively above and below the coils 4 and 5.
The latter are thin flat coils, without magnetizable material, of generally oval shape, the common axis of symmetry of which passes through the axis 6 and the points of which are directed towards this axis and the sides at least approximately radial (fig. 4). Control coil 4 is over. narrow than the input coil 5.
The permanent magnets 9, 10, 11 and 12 are arranged such that when one side of one of the coils is between the magnets 9 and 11, the opposite side of the other coil is between the magnets 10 and 12 The coils 4 and 5 are fixed to the side walls of the box 14 by flanges not shown. The base 14 also carries a lever for launching the rotor, not shown.
The operation of the micro-motor shown in fig. 1 to 4 is the following: the rotor having been previously started, indifferently in one direction or the other, the permanent magnets 10 and 12 induce in the control coil 4 a voltage which is applied to the input of the transistor 2 through resistor 3 to which an appropriate value is given to obtain optimum motor efficiency and, depending on the magnetic coupling between the control coil and the maintenance coil, reduce or eliminate the possible starting of a car -oscillation between these two coils. The power supplied by the battery 1 controlled by the transistor 2 is fed into the output circuit of the latter through the sustaining coil 5.
The magnets 9 and 11 and the coil 5 are polarized in such a way that the current i2 (fig. 1) passing through the coil 5 gives with the field existing between the magnets 9 and 11 a force directed in the direction of rotation of the rotor. , and therefore maintain this movement. When the magnets 9 and 11 are located opposite the control coil 4, they induce in the latter a voltage in the opposite direction, but since in this direction of polarization the input circuit of transistor 2 is practically blocked, no current 12 cannot pass through maintenance coil 5. The next pulse occurs when magnets 10 and 12 are again facing coil 4 and magnets 9 and 11 are facing coil 5. The cycle is repeated in the direction of rotation of the rotor.
It is advantageous to place the members creating the magnetic field as close as possible to the air gap crossed by this field, so as to lose as little flux as possible through the creepage lines which pass outside the useful air gap. It is also advantageous for the two yokes to be at the same magnetic potential so as not to lose useful flux through lines of force which could form directly between the yokes, on both sides of the air gap. Since the cylinder heads are made of a soft magnetic material and are not saturated by the magnetic flux, practically no magnetic tension is absorbed.
On the other hand, if these yokes are at the same magnetic potential, they can be fixed on an axis 6 made of magnetic material without risking a loss of useful flux through this axis. The magnets 9, 11 are polarized as shown in fig. 3 and they are sized to each provide the same magnetic field. We could eliminate the magnets 11 and 12 by doubling the length of the magnets 9 and 10 or vice versa, while maintaining the yokes 7 and 8 at the same magnetic potential.
We could also reverse the polarity of the magnets 9 and 11 while maintaining the yokes 7 and 8 at the same magnetic potential, but in this case the two paths of the magnetic flux, on the one hand through the magnets 9 and 11 and on the other hand through the magnets 10 and 12, should close through the axis 6 which must then be made of a soft magnetizable material and of sufficient section not to be saturated by the magnetic flux. If we gave up the advantage of yokes at the same magnetic potential, we could replace the part of axis 6 located between yokes 7 and 8 by a single magnet and replace magnets 9, 10, 11 and 12 with pole pieces. in soft, magnetizable material.
It is advantageous to construct the coils 4 and 5 as flat as possible to achieve a small gap and a large magnetic induction. It is also advantageous to build these coils without magnetizable material to avoid energy losses due on the one hand to variations in the flux in the cores (for example by hysteresis and eddy currents), and on the other hand to increased friction. in bearings 13 and 15 which would result from a magnetic attraction between the magnetizable material of the stator and the magnets of the rotor.
By giving the coils 4 and 5 the oval shape shown with their common axis of symmetry not santing by the axis 6, the aim is to obtain an induced voltage over the greater part of the length of each coil by reducing the part. in which there is no induced voltage and in which the coil has only an ohmic resistance consuming energy in pure loss.
Optimum efficiency is obtained by allowing current 12 to flow only when all the turns of the sustaining coil 5 are located entirely between two superimposed magnets 9 and 11 or 10 and 12 and are therefore crossed by a maximum flux. To achieve this result, it is advantageous to make the two coils narrower than the magnets and the control coil 4 narrower than the maintenance coil 5 so as to induce in the control coil 4 a voltage which does not Tra pour the transistor 2 by the sustaining current i, only in a position of the rotor where the turns of the sustaining coil 5 are cut by the maximum magnetic flux.
The micro-motor shown in fig. 5 and 6 comprises an axis 20 pivoted in bearings 21 and 22 fixed respectively in the bottom of a base 23 and in the bottom of a cylindrical cover 24. The axis 20 carries two concentric annular yokes 25 and 26. On the base 23 are fixed four coils in the form of annular segments: one of these coils 27 is a control coil and the other three 28 are maintenance coils. The outer yoke 26 is supported by a hub 29 of non-magnetic material fixed to the axle 20 and connected to the yoke by four arms 30.
The inner yoke 25 carries four permanent magnets 31 with alternatingly reversed polarities, as shown in FIG. 6.
The four coils 27 and 28 have a generally rectangular curved shape so as to match the envelope of a cylinder; they do not have a core of magnetizable material.
Thanks to the fact that this engine comprises three maintenance coils for a single control coil, and thanks to the concentric arrangement of the cylinder heads and coils, this engine can achieve greater power for the same size as that of fig. 2 to 4.
It goes without saying that in either embodiment, the arrangement of the magnets and the coils could be reversed, the magnets forming part of the stator and the coils forming part of the rotor.