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Dispositif électromagnétique à aimant permanent permettant d'entretenir le mouvement d'un organe Le présent brevet a pour objet un dispositif électromagnétique à aimant permanent utilisable notamment dans une pièce d'horlogerie pour l'entretien du mouvement du balancier, comprenant au moins un circuit magnétique constitué par une partie fixe et par une partie solidaire de l'organe dont on veut entretenir le mouvement, l'une d'elles étant aimantée de façon permanente,
tandis que l'autre est en un matériau magnétique non rémanent et est périodiquement et temporairement traversée pendant le mouvement relatif des deux dites parties par une portion du flux magnétique émanant de la partie aiman- tée, un blindage fixe par rapport à la partie aimantée et un circuit électrique comprenant une source de courant, une bobine captrice, une bobine motrice et un amplificateur,
le tout de manière que la dérivation du flux dans la partie non rémanente du circuit magnétique induise une tension dans la bobine cal> trice engendrant une impulsion d'entretien dans la bobine motrice.
Ce dispositif est caractérisé par le fait que ledit blindage est localisé au voisinage immédiat de la partie aimantée du circuit magnétique et est conformé de façon à ne dériver qu'une fraction négligeable du flux pendant les intervalles de temps au cours desquels la partie non rémanente du circuit magnétique est magnétisée et de façon que les durées des, pério- des transitoires marquant le début et la fin de ces intervalles de temps soient extrêmement brèves.
Le dessin représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention constituant des dispositifs d'entretien du mouvement d'un ensemble balancier-spiral.
La fig. 1 est une vue en plan d'une première forme d'exécution. La fig. 2 en est une vue en coupe par la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en élévation, de face, du blindage et de l'aimant.
La fig. 4 est une vue en plan d'une deuxième forme d'exécution, dans laquelle la partie oscillante du circuit magnétique a été coupée selon la ligne IV- IV de la fig. 5. Cette dernière figure est une vue en coupe selon la ligne V-V de la fig. 4 sans la partie fixe du circuit magnétique.
La fig. 6 est une vue en plan d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 7 est une vue en coupe par la ligne VII- VII de la fig. 6.
La fig. 8 est une vue en plan d'une quatrième forme d'exécution.
Les fig. 9 à 18 représentent des schémas de circuits électriques applicables aux différentes constructions représentées aux fig. 1 à 8.
La première forme d'exécution représentée (fig. 1 à 3) comprend un circuit magnétique formé, d'une part, d'un aimant permanent 10, fixe, et, d'autre part, de deux palettes 11 en matériau magnétique non ré- manent calées sur l'arbre 12 du balancier et reliées magnétiquement par un canon 13.
Elle comprend encore un bobinage fixe 14 dis, posé coaxialement au canon 13 entre les palettes 11. Ce bobinage est formé par une bobine captrice B.. et une bobine motrice Bm respectivement insérées dans les circuits d'entrée et de sortie d'un amplificateur.
L'aimant 10 présente la forme d'un E. Son aimantation est telle que les surfaces, en regard d'une même palette 11 sont de même polarité; mais de polarité inverse pour chacune des palettes.. Il est encastré dans un blindage 15, en matériau non rémanent à haute perméabilité magnétique, présentant la
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forme d'un secteur annulaire centré sur l'axe 12. Ce blindage est fendu à la hauteur des entrefers de l'ai orant de manière à permettre le passage des extrémités des palettes pendant l'oscillation du balancier.
Le mouvement de ce dernier est entretenu par des impulsions transmises périodiquement aux palettes dans les, conditions suivantes Pendant le mouvement oscillant du balancier, le flux émanant de l'aimant 10 se ferme, soit dans le blindage 15, soit en partie à travers ce dernier et en partie à travers les palettes 11, selon que les extrémités de ces dernières se trouvent à l'extérieur ou à l'intérieur de l'aimant. Les palettes sont donc le siège au moment où elles entrent et au moment où elles sortent de l'aimant 10, de variations de flux qui engendrent dans la bobine B, des signaux de sens opposés.
L'amplificateur est agencé de manière à n'amplifier, de préférence, que les signaux de sortie et de façon que les impulsions traversant la bobine B,n aient un sens correspondant à une répulsion de l'aimant et des palettes.
Il y a lieu de remarquer qu'il s'ajoute à cette impulsion d'entretien électromagnétique une seconde impulsion purement magnétique due à l'aimantation des palettes au moment où elles s'engagent dans l'aimant.
Dans ces conditions le balancier reçoit à chaque alternance deux impulsions d'entretien, l'une avant, l'autre après son passage par sa position d'équilibre statique.
En fait, on cherchera à localiser ces deux impulsions au voisinage immédiat de la position d'équilibre statique, en réduisant au maximum la durée des périodes transitoires. A cet égard, la construction représentée aux fig. 1 à 3 est particulièrement favorable.
Pour supprimer l'aimantation résiduelle qui pourrait subsister dans les palettes après leur sortie de l'aimant et qui pourrait gêner leur dégagement du blindage, on peut introduire dans le circuit électrique un condensateur se déchargeant dans la bobine motrice après le passage d'une impulsion d'entretien, en sens inverse de celle-ci. La charge de ce condensateur pourra être opérée par self-induction ou par une source de courant. On choisira naturellement les caractéristiques du circuit de manière que cette décharge n'engendre pas des oscillations électriques.
Des circuits électriques correspondant notamment à ces deux cas, sont représentés aux fig. 9 à 18, qui sont expliquées plus loin.
En variante, cette première forme d'exécution pourrait comprendre des palettes coopérant avec deux aimants diamétralement opposés par rapport à l'axe du balancier. Dans ce cas, l'amplitude maximum admissible des oscillations de ce dernier sera réduite de moitié.
Dans la seconde forme d'exécution représentée aux fig. 4 et 5, la partie fixe du circuit magnétique est constituée. par une pièce 16, en matériau non rémanent, présentant la forme d'un V sur les bran- cher de laquelle sont respectivement enroulées les bobines B, et B",,. La partie oscillante de ce circuit est formée par deux culasses. 17 calées sur l'axe 18 du balancier, par deux paires d'aimants. permanents 19 diamétralement opposés aux extrémités des culasses, et par deux tubes fendus 20 entourant coaxiale- ment et respectivement les deux paires d'aimants.
Les aimants de chaque paire sont placés à une certaine distance l'un de l'autre, de manière. à ménager deux entrefers. L'aimantation de ces aimants est telle que les faces délimitant chaque entrefer sont de même polarité et de polarité inverse pour les deux entrefers.
Ceux-ci sont traversés périodiquement, pendant l'oscillation du balancier, par les semelles 21 des branches de la pièce 16.
Les culasses 17 et les tubes 20, qui sont en matériau à haute perméabilité magnétique et non rémanents, constituent le blindage des aimants 19.
Dans, ces, conditions, le flux émanant de ces derniers se ferme par la pièce 16 lorsque la partie oscillante du circuit magnétique se trouve dans sa position d'équilibre statique (fig. 4).
Le fonctionnement de cette seconde forme d'exécution est exactement le même que celui de la forme d'exécution représentée aux fi-. 1 à 3.
Dans la troisième forme d'exécution représentée (fia. 6 et 7), la partie fixe du circuit magnétique est constituée par une pièce 22 formée de deux branches dont les semelles 23 sont superposées et autour desquelles sont respectivement enroulées les bobines B, et B,,,. Sa partie solidaire du balancier est du même type que la précédente mais ne comporte qu'un seul aimant 24 à deux extrémités de polarités différentes.
Le flux magnétique de l'aimant 24 se ferme alternativement dans la pièce 22 et dans le blindage. Le fonctionnement est encore le même que précédemment. L'amplitude de l'oscillation du balancier peut atteindre 300 environ.
Cette amplitude est réduite de moitié dans la quatrième forme d'exécution représentée à la fig. 8 qui comporte deux circuits magnétiques distincts dont les parties fixes 25 et 26 portent respectivement la bobine B, et B"L et dont les parties oscillantes, diamétralement opposées, sont constituées par deux aimants du type de la fi-. 7.
Dans cette dernière forme d'exécution, les semelles 27 et 28 sont angulairement décalées et de longueurs différentes, de manière que dans un sens de rotation du balancier, les impulsions traversant la bobine B", soient sans effet sur ce dernier.
On a enfin représenté aux fig. 9 à 18 un certain nombre de circuits électriques à transistor applicables aux différentes constructions décrites. Tous, ces circuits admettent un certain nombre de variantes caractérisées par la position respective des. bobines par rapport aux électrodes du transistor. C'est ainsi que dans tous les exemples donnés, la bobine motrice peut être introduite soit dans le circuit collecteur, soit
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dans le circuit émetteur du transistor tandis que la bobine captrice, généralement située dans le circuit de base, peut être placée dans le circuit d'émetteur lorsque la bobine motrice est placée dans celui du collecteur.
Enfin, lorsque la bobine motrice est placée dans le circuit émetteur, la bobine captrice, généralement placée entre émetteur et base, peut également être placée entre la base et la masse, ce qui implique une tension d'entrée plus élevée.
Le circuit de la fig. 9 comprend une pile P, un transistor T, les bobines B. et B, une thermistance R et un condensateur C, en parallèle avec la bobine B,,,. Ce condensateur C est chargé par le courant de self-induction engendré par la disparition de l'impulsion motrice, et se décharge, après le passage de cette impulsion, en sens inverse de celle-ci, dans la bobine motrice en produisant un champ démagnétisant dans la partie non rémanente du circuit magnétique.
Dans le circuit de la fig. 10 qui comprend les mêmes éléments que ceux de la fig. 9, le condensateur C est chargé par la pile P lors de l'impulsion. Ce condensateur se décharge à travers la bobine B. et la résistance R avec le même effet que le condensateur du circuit de la fig. 9, après le passage de l'impulsion motrice. La résistance R contribue, d'autre part, à compenser la dérive thermique, du transistor. Elle introduit également une constante de temps RC qui permet de bloquer le transistor après chaque impulsion motrice pour une durée déterminée.
Ce blocage du transistor est obtenu dans le circuit de la fig. 11, qui fonctionne selon le même principe que celui de la fig. 9, par un condensateur Cl.
En choisissant convenablement la valeur des éléments qui déterminent la durée de blocage du transistor, il est possible de ne transmettre au balancier qu'une impulsion d'entretien toutes les deux alternances, c'est-à-dire que des impulsions, de même sens.
Dans le circuit de la fig. 12, dans lequel on retrouve les éléments des circuits des fig. 9 et 10, on a prévu un condensateur C., qui découple la résistance R et introduit une constante de temps RC2.
Le circuit représenté à la fig. 13 est un perfectionnement du circuit de la fig. 12 dans lequel la compensation de la dérive thermique est améliorée. Ce circuit comprend une diode d, de préférence au silicium, qui ne donne lieu à un courant direct qu'à partir d'une tension de l'ordre de 0,3 volt, ce qui assure une certaine tension de polarisation de la base du transistor par rapport à la masse. L'émetteur suit cette polarisation de la base grâce au condensateur Cz, ce qui permet à un courant de repos bien déterminé de circuler dans la résistance R.
Le condensateur G, assure le couplage dynamique entre la bobine B", et la base du transistor. La résistance RI polarise la base en courant. Suivant le type de transistor utilisé, la résistance RI devrait shunter la diode. Dans ce circuit, deux constantes de temps interviennent pour le blocage du transistor, Rl- C1et Rq. Le circuit de la fig. 14 est une variante de celui de la fig. 11,
dans laquelle on a introduit une ther- mistance R pour la compensation de la dérive ther- mique. Le circuit de la fig. 15 est une variante du précédent, dans lequel la compensation de la dérive thermique est améliorée par une résistance d'émetteur R découplée par un condensateur C..
Dans le circuit de la fig. 16, la dérive thermique est compensée par une résistance d'émetteur R découplée par une diode au silicium d qui devient brusquement conductrice à partir de 0,3 volt. La tension de repos de l'émetteur sera donc choisie vers 0,2 volt, de manière que la compensation de la dérive thermique se produise dans la région non conductrice de la diode dont l'action n'interviendra qu'au moment d'une impulsion motrice. Une thermistance R' de polarisation de la base complète la compensation.
Dans le schéma de la fig. 17, la polarisation de la base du transistor est assurée par l'intermédiaire d'une thermistance R' et d'une diode Zéner Z dont la tension de fonctionnement est de quelques, dixièmes de volt inférieure à celle de la pile, de manière à assurer une certaine marge de compensation de la dérive thermique. Pour les transistors au silicium, en particulier, on shuntera la diode par une résistance et on supprimera la thermistance R'.
La fig. 18 enfin est une variante des fig. 11 et 14 dans laquelle on a ajouté une diode d chargée d'éviter l'apparition d'oscillations parasites résultant du couplage des bobines B. et 13,.
Le dispositif selon l'invention pourrait aussi être appliqué à l'entraînement d'un moteur à rotation continue.
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Permanent magnet electromagnetic device for maintaining the movement of an organ The subject of the present patent is a permanent magnet electromagnetic device which can be used in particular in a timepiece for maintaining the movement of the balance, comprising at least one magnetic circuit constituted by a fixed part and by a part integral with the organ whose movement is to be maintained, one of them being permanently magnetized,
while the other is made of a non-remanent magnetic material and is periodically and temporarily crossed during the relative movement of the two said parts by a portion of the magnetic flux emanating from the magnetized part, a fixed shield with respect to the magnetized part and an electrical circuit comprising a current source, a sensor coil, a driving coil and an amplifier,
all in such a way that the diversion of the flux in the non-remanent part of the magnetic circuit induces a voltage in the heat coil> generating a sustaining pulse in the driving coil.
This device is characterized in that said shielding is located in the immediate vicinity of the magnetized part of the magnetic circuit and is shaped so as to derive only a negligible fraction of the flux during the time intervals during which the non-remanent part of the magnetic circuit is magnetized and so that the durations of the transient periods marking the beginning and the end of these time intervals are extremely short.
The drawing represents, by way of example, several embodiments of the object of the invention constituting devices for maintaining the movement of a balance-spring assembly.
Fig. 1 is a plan view of a first embodiment. Fig. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is a front elevational view of the shielding and the magnet.
Fig. 4 is a plan view of a second embodiment, in which the oscillating part of the magnetic circuit has been cut along the line IV-IV of FIG. 5. The latter figure is a sectional view along the line V-V of FIG. 4 without the fixed part of the magnetic circuit.
Fig. 6 is a plan view of a third embodiment.
Fig. 7 is a sectional view taken along the line VII-VII of FIG. 6.
Fig. 8 is a plan view of a fourth embodiment.
Figs. 9 to 18 represent electrical circuit diagrams applicable to the various constructions shown in FIGS. 1 to 8.
The first embodiment shown (fig. 1 to 3) comprises a magnetic circuit formed, on the one hand, of a permanent magnet 10, fixed, and, on the other hand, of two vanes 11 of unrecovered magnetic material. - manent wedged on the shaft 12 of the balance and magnetically connected by a barrel 13.
It also comprises a fixed coil 14 dis, placed coaxially with the barrel 13 between the vanes 11. This coil is formed by a sensing coil B .. and a driving coil Bm respectively inserted into the input and output circuits of an amplifier .
The magnet 10 has the shape of an E. Its magnetization is such that the surfaces facing a single pallet 11 have the same polarity; but of reverse polarity for each of the pallets. It is embedded in a shield 15, made of non-remanent material with high magnetic permeability, exhibiting the
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in the form of an annular sector centered on the axis 12. This shielding is split at the height of the air gaps of the orant so as to allow the passage of the ends of the pallets during the oscillation of the balance.
The movement of the latter is maintained by pulses transmitted periodically to the paddles under the following conditions During the oscillating movement of the balance, the flux emanating from the magnet 10 closes, either in the shielding 15, or partly through the latter and partly through the pallets 11, depending on whether the ends of the latter are located outside or inside the magnet. The pallets are therefore the seat when they enter and when they leave the magnet 10, of flux variations which generate in the coil B, signals in opposite directions.
The amplifier is arranged so as to amplify, preferably, only the output signals and so that the pulses passing through the coil B, n have a direction corresponding to a repulsion of the magnet and the vanes.
It should be noted that there is added to this electromagnetic sustaining pulse a second purely magnetic pulse due to the magnetization of the pallets at the moment when they engage in the magnet.
Under these conditions, the balance receives at each alternation two sustain pulses, one before, the other after it has passed through its static equilibrium position.
In fact, we will seek to locate these two pulses in the immediate vicinity of the static equilibrium position, reducing the duration of the transient periods as much as possible. In this regard, the construction shown in Figs. 1 to 3 is particularly favorable.
To eliminate the residual magnetization which could remain in the vanes after their exit from the magnet and which could hamper their release from the shielding, it is possible to introduce into the electrical circuit a capacitor discharging in the driving coil after the passage of a pulse. maintenance, in reverse order. The charge of this capacitor can be operated by self-induction or by a current source. The characteristics of the circuit will naturally be chosen so that this discharge does not generate electric oscillations.
Electrical circuits corresponding in particular to these two cases are shown in FIGS. 9 to 18, which are explained later.
As a variant, this first embodiment could comprise pallets cooperating with two diametrically opposed magnets with respect to the axis of the balance. In this case, the maximum admissible amplitude of the oscillations of the latter will be reduced by half.
In the second embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the fixed part of the magnetic circuit is formed. by a part 16, made of a non-remanent material, having the shape of a V, on the branches of which the coils B, and B ", are respectively wound. The oscillating part of this circuit is formed by two yokes. wedged on the axis 18 of the balance, by two pairs of permanent magnets 19 diametrically opposed to the ends of the yokes, and by two slotted tubes 20 surrounding the two pairs of magnets coaxially and respectively.
The magnets of each pair are placed at a certain distance from each other, so. to provide two air gaps. The magnetization of these magnets is such that the faces delimiting each air gap are of the same polarity and of reverse polarity for the two air gaps.
These are crossed periodically, during the oscillation of the balance, by the soles 21 of the branches of the part 16.
The yokes 17 and the tubes 20, which are made of a material with high magnetic permeability and not remanent, constitute the shielding of the magnets 19.
Under these conditions, the flux emanating from the latter closes via part 16 when the oscillating part of the magnetic circuit is in its position of static equilibrium (fig. 4).
The operation of this second embodiment is exactly the same as that of the embodiment shown in fi-. 1 to 3.
In the third embodiment shown (fia. 6 and 7), the fixed part of the magnetic circuit is constituted by a part 22 formed of two branches whose soles 23 are superimposed and around which the coils B and B are respectively wound. ,,,. Its part secured to the balance is of the same type as the previous one but has only one magnet 24 with two ends of different polarities.
The magnetic flux of the magnet 24 closes alternately in the part 22 and in the shielding. The operation is still the same as before. The amplitude of the oscillation of the balance can reach approximately 300.
This amplitude is reduced by half in the fourth embodiment shown in FIG. 8 which comprises two distinct magnetic circuits whose fixed parts 25 and 26 respectively carry the coil B, and B "L and whose oscillating parts, diametrically opposed, are formed by two magnets of the type of Fig. 7.
In this latter embodiment, the flanges 27 and 28 are angularly offset and of different lengths, so that in a direction of rotation of the balance, the pulses passing through the coil B "have no effect on the latter.
Finally, we have shown in FIGS. 9 to 18 a certain number of electric transistor circuits applicable to the various constructions described. All of these circuits admit a certain number of variants characterized by the respective position of the. coils relative to the electrodes of the transistor. Thus in all the examples given, the driving coil can be introduced either into the collector circuit, or
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in the emitter circuit of the transistor while the sensor coil, usually located in the base circuit, can be placed in the emitter circuit when the motor coil is placed in that of the collector.
Finally, when the drive coil is placed in the emitter circuit, the sensor coil, usually placed between emitter and base, can also be placed between base and ground, which implies a higher input voltage.
The circuit of FIG. 9 comprises a battery P, a transistor T, coils B. and B, a thermistor R and a capacitor C, in parallel with the coil B ,,,. This capacitor C is charged by the self-induction current generated by the disappearance of the driving pulse, and is discharged, after the passage of this pulse, in the opposite direction to it, in the driving coil, producing a demagnetizing field in the non-remanent part of the magnetic circuit.
In the circuit of fig. 10 which comprises the same elements as those of FIG. 9, the capacitor C is charged by the battery P during the pulse. This capacitor is discharged through coil B. and resistor R with the same effect as the capacitor of the circuit of fig. 9, after the passage of the driving impulse. Resistor R contributes, on the other hand, to compensate for the thermal drift of the transistor. It also introduces an RC time constant which makes it possible to block the transistor after each driving pulse for a determined duration.
This blocking of the transistor is obtained in the circuit of FIG. 11, which operates on the same principle as that of FIG. 9, by a capacitor Cl.
By suitably choosing the value of the elements which determine the blocking duration of the transistor, it is possible to transmit to the balance only one sustain pulse every two alternations, that is to say only pulses, of the same direction .
In the circuit of fig. 12, in which we find the elements of the circuits of FIGS. 9 and 10, a capacitor C. is provided, which decouples the resistor R and introduces a time constant RC2.
The circuit shown in fig. 13 is an improvement of the circuit of FIG. 12 in which the compensation for thermal drift is improved. This circuit comprises a diode d, preferably silicon, which gives rise to a direct current only from a voltage of the order of 0.3 volts, which ensures a certain bias voltage of the base of the transistor with respect to ground. The emitter follows this polarization of the base thanks to the capacitor Cz, which allows a well determined quiescent current to flow in the resistor R.
The capacitor G, ensures the dynamic coupling between the coil B ", and the base of the transistor. The resistor RI polarizes the base in current. Depending on the type of transistor used, the resistor RI should shunt the diode. In this circuit, two constants of time intervene for the blocking of the transistor, Rl- C1 and Rq. The circuit of fig. 14 is a variant of that of fig. 11,
in which a thermistor R has been introduced for the compensation of the thermal drift. The circuit of FIG. 15 is a variant of the previous one, in which the compensation of the thermal drift is improved by an emitter resistor R decoupled by a capacitor C.
In the circuit of fig. 16, the thermal drift is compensated by an emitter resistor R decoupled by a silicon diode d which suddenly becomes conductive from 0.3 volts. The rest voltage of the emitter will therefore be chosen around 0.2 volts, so that the compensation of the thermal drift occurs in the non-conductive region of the diode, the action of which will only occur at the time of a driving impulse. A base polarization thermistor R 'completes the compensation.
In the diagram of fig. 17, the polarization of the base of the transistor is ensured by means of a thermistor R 'and of a Zener diode Z whose operating voltage is a few tenths of a volt lower than that of the battery, so as to ensure a certain margin of compensation for thermal drift. For silicon transistors, in particular, the diode will be shunted by a resistor and the thermistor R 'will be removed.
Fig. Finally, 18 is a variant of FIGS. 11 and 14 in which a diode d has been added charged to avoid the appearance of parasitic oscillations resulting from the coupling of coils B. and 13 ,.
The device according to the invention could also be applied to the drive of a continuously rotating motor.