Moteur électrique lent à mouvement hypocycloïdal La présente invention a pour objet un moteur électrique lent à mouvement hypocycloïdal, c'est-à- dire ayant une vitesse de rotation suffisamment ré duite pour qu'on puisse éviter de lui adjoindre un réducteur de vitesse dans des applications où- cela est habituellement nécessaire.
Ce moteur comporte un bâti fixe portant un stator et un rotor entraîné en rotation et est carac térisé en ce que le stator comporte un chemin de roulement dans lequel le rotor roule sans glisser, le jeu entre le rotor et ledit chemin de roulement étant suffisamment faible vis-à-vis des plus grandes di mensions radiales du rotor pour que le mouvement hypocycloïdal de ce dernier puisse être sensiblement assimilé à une rotation autour de son axe, à laquelle se superpose une vibration parasite d'amplitude égale audit jeu,
et en ce qu'il comporte un dispositif d'ac couplement élastique qui relie le rotor à un arbre de sortie qui tourillonne dans le bâti fixe portant le stator et est agencé de manière à absorber ladite vibration parasite et à ne transmettre à l'arbre de sortie que ladite rotation.
Une forme d'exécution de l'invention est repré sentée, à titre d'exemple, au dessin annexé, dans lequel la fig. 1 explique le principe de fonctionnement du moteur ; la fig. 2 représente, vue en coupe par un plan passant par son axe de révolution, une forme d'exé cution de l'invention; la fig. 3 est une coupe suivant A B de la fig. 2 ; la fig. 4 représente schématiquement, vu en pers pective, un dispositif d'accouplement élastique du rotor à l'arbre de sortie du moteur ; la fig. 5 est un schéma d'un dispositif de sus pension du stator.
La fig. 1 représente un rotor 1 monté pour tour ner autour de son axe xy et séparé d'une manière générale par un entrefer 2 du stator. La rotation s'effectue sous l'action d'une force tournante F. A cette fin, le rotor et le stator étant en matière ma gnétique, un champ magnétique fixe Hl et un champ magnétique tournant H2 sont créés. Par exemple, le rotor 1 comporte un aimant permanent fournissant un champ magnétique radial Hl dont la distribution présente une symétrie de révolution par rapport à son axe.
Le champ tournant est créé d'une façon connue quelconque, par exemple à l'aide de pièces polaires 3, 4 et 7,8 faisant partie du stator et dont les enroulements respectifs 9a et 9b sont alimentés en courant alternatif de pulsation c) avec un décalage de
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On voit facilement que les champs Hl et H2 s'ajoutent en A et se retranchent en B ; par consé quent, le champ résultant H3 est maximum en A, minimum en B.
On a figuré en trait interrompu la courbe Cl qui passe par les extrémités des vecteurs H3 dans cette position du champ tournant H2. Quand ce dernier tourne à la vitesse w autour de l'axe xy, la courbe Cl subit la même rotation.
La force d'attraction qui s'exerce entre chaque point de l'ensemble de pièces polaires 3, 4 et 7, 8 et le point en regard du rotor 1 est, comme l'on sait, proportionnelle au carré du champ magnétique H3 qui règne au point correspondant de l'entrefer 2.
La distribution des, forces d'attraction F dans l'entrefer présente donc un maximum au point A où H3 est maximum, et l'anisotropie des forces d'attrac tion est, du fait de cette loi en (H3)2, encore plus accentuée que celle du champ H" (courbe C2). Sous l'action de la force F, le rotor 1 et une pièce 5 solidaire de celui-ci roule le long d'un che min de roulement 6 dont est muni le stator. Ce rou lement s'effectue pratiquement sans glissement. Le jeu r entre la pièce 5 que porte le rotor et le chemin de roulement 6 est faible par rapport aux plus grandes dimensions radiales du rotor.
Dans ces conditions, le mouvement hypocycloïdal de la pièce 5 est sensi blement assimilable à une rotation autour de son axe xy, à une vitesse angulaire uniforme
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R étant le rayon de la pièce 5.
Si un arbre de sortie est accouplé au rotor par l'intermédiaire d'un dis positif de suspension, ainsi qu'on l'expliquera plus loin, cet arbre fournit de la puissance tout en tour nant à une vitesse qui a été sensiblement réduite, si on la compare à w. On peut démontrer mathéma tiquement que le mouvement hypocycloïdal du rotor se décompose en fait en un mouvement utile de ro tation accompagné d'une vibration radiale parasite dont l'amplitude est r et la pulsation ou. C'est pour cela qu'un dispositif de suspension capable d'absor ber cette vibration parasite est nécessaire.
A la fig. 1, les pièces polaires 3, 4 et 7, 8 sont disposées à angle droit et les courants de pulsation w qui les -parcourent sont décalés de Un champ tournant est ainsi créé. Bien entendu,
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ce champ pourrait être créé de toute autre façon appropriée, par exemple à l'aide d'un enroulement triphasé.
Il est à noter que la structure générale du mo teur n'est jamais parfaitement symétrique par rap port à l'axe de l'ensemble. Il s'ensuit qu'en position de repos, et en l'absence du champ tournant, il existe une direction privilégiée suivant laquelle le rotor vient en contact avec le stator.
On notera que la force tournante F peut être décomposée en une force Fe qui tend à appliquer le rotor, ou plus exactement son dispositif de roule ment 5, contre le chemin de roulement et une force tangentielle FT qui fait rouler le rotor. Cette dernière force tend à devenir plus importante quand la charge augmente, l'angle c) entre F et Fe augmentant, com me l'angle entre le champ du rotor et le champ tournant augmente dans un moteur synchrone lors que la charge augmente. Il est important qu'il y ait un frottement suffisant entre le chemin de roulement et l'élément de roulement du rotor, par exemple le galet de roulement, pour éviter tout glissement.
Un des avantages du moteur décrit est son iner tie très réduite et son couple de démarrage impor tant. Ceci est dû en particulier au fait que l'entre- fer peut être minime.
Les fig. 2 et 3 représentent une forme d'exécu tion du moteur suivant l'invention.
Dans la forme d'exécution des fig. 2 et 3, le stator est constitué par un corps cylindrique 10, par exemple en alliage léger ou en matière plastique, comportant deux portées ou chemins de roulement tronconiques 11, 12. Dans le corps 10 sont supportés, par fixation à des plaques 32, 33, quatre noyaux en matière magné tique douce : 13 et 14 d'une part, disposés dans un premier plan passant par l'axe de révolution xy de l'ensemble du moteur, et 15 et 16, d'autre part, dis posés dans un deuxième plan axial perpendiculaire au premier (pour simplifier le dessin, on n'a pas représenté à la fig. 2 le noyau 16 et l'enroulement correspondant).
Les noyaux 13, 14, 15, 16 portent respective ment des bobinages 17, 18, 19 et 20. Le rotor est constitué par un aimant cylindrique 21 pris entre deux piles 22, 23, de rondelles de tôle magnétique, lesquelles sont disposées de manière à former avec les noyaux des entrefers 24, 25, très réduits, de 1 mm ou 0,5 mm par exemple.
Le rotor 22 est monté sur un axe 26. Celui-ci porte deux disques 27, 28, en matière non magné tique, par exemple identique à celle du corps 10.
Ces disques sont conçus pour avoir un coeffi cient de frottement élevé sur les portées 11, 12: à cet effet, ils sont par exemple munis de bandages en caoutchouc 29, 30.
Le stator est suspendu élastiquement dans un' carter fixe 31, au moyen d'un dispositif tel que celui de la fig. 5, et le rotor est accouplé à un arbre de sortie 33 au moyen d'un autre dispositif de suspen sion 34, figuré schématiquement à la fig. 4.
Le dispositif de suspension du rotor représenté à la fig. 4 comporte une plaque rigide 39. Aux deux coins diagonalement opposés de la plaque 39 sont fixées par leurs extrémités des lames élastiques 37 et 38 dont les autres extrémités sont respectivement reliées à deux points diamétralement opposés des disques 27 ou 28 de la fig. 2. Deux lames identiques 4.0 et 41 sont fixées aux deux autres coins de la plaque 39 et leurs extrémités opposées sont respec tivement fixées aux deux extrémités d'une plaque allongée 42 dont le milieu est solidaire de l'arbre 33 du moteur (fig. 2).
Le dispositif de suspension du stator représenté à la fig. 5 comporte une plaque 43 aux quatre coins de laquelle sont respectivement fixées quatre lames élastiques 44 à 47. Une extrémité de chacune de ces lames est fixée au stator 10 et l'autre au bâti ou carter 31.
Ainsi, aussi bien le stator 10 que le rotor 21, ce dernier à travers le palier de l'arbre 33, sont élastiquement reliés au carter ou bâti 31 par les dispositifs de suspension représentés aux fig. 4 et 5.
D'une manière générale, le dispositif de suspen sion du rotor comporte deux paires de lames élas tiques. Les extrémités des lames de chaque paire sont reliées par des éléments formant bras de levier, les deux bras de levier étant, dans la forme d'exé cution représentée, constitués par les diagonales de la plaque 39. Les lames d'une paire sont, en posi tion de repos, perpendiculaires à celles de l'autre paire et toutes les lames sont disposées de la même manière par rapport à l'axe xy. Les lames sont rigi- des dans le sens longitudinal, de telle sorte que le couple est rigidement transmis à l'arbre de sortie 33, deux lames subissant des efforts de compression et deux des efforts de traction.
D'autre part, les lames sont élastiques dans le sens de la flexion et peuvent donc fléchir librement sous l'action des déplacements du rotor autres que la rotation, par exemple sous l'action des vibrations parasites dont il a été question plus haut.
On notera que la rigidité des lames doit être proportionnelle à la masse des pièces qu'elles relient si l'on veut que le couple et l'effort résultants appli qués au carter soient nuls. Cette condition est facile ment réalisée avec les lames plates utilisées.
Le fonctionnement du moteur représenté aux fig. 2. à 5 est conforme à l'exposé de principe illus tré par la fig. 1.
Les deux couples de bobines 17-l8 et l9-20 étant alimentés par deux courants alternatifs en quadrature, les circuits magnétiques correspondants engendrent un champ qui tourne à une vitesse angu laire o) égale à la pulsation du courant alternatif d'alimentation. Ce champ tournant se superpose dans l'entrefer 24 au champ continu d'excitation produit par l'aimant permanent 21.
Il en résulte une force tournante d'attraction du rotor 21, qui fait tourner ce dernier autour de son axe 26 à une vitesse
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Dans cette formule, r désigne le jeu moyen entre les disques 27, 28 et les portées 11, 12, et R le rayon des disques 27, 28.
Le rotor 21 et le stator sont en outre animés de mouvements parasites de vibration en opposition de phase. On peut alors montrer que, pour que le car ter 31 soit de ce fait soumis à une résultante nulle, il suffit que le rotor et le stator lui soient reliés par des ressorts situés dans un même plan et possédant, pour des mouvements de translation perpendiculaire à l'axe X Y, des raideurs proportionnelles aux mas ses respectives de ces deux pièces. On peut mon trer que le dispositif de la fig. 4 satisfait à cette con dition en ce qui concerne le rotor, celui de la fig. 5 en ce qui concerne le stator.
On peut montrer également que ces deux dis positifs empêchent l'oscillation du moteur autour d'un axe parallèle au plan de la suspension, les réactions du carter constituant un système de forces équivalentes à une résultante et à un couple nuls.
Ces dispositifs transmettent par ailleurs avec une grande rigidité le couple de rotation autour de l'axe X Y du moteur.
Le dispositif de la fig. 4 assure une suspension élastique du rotor vis-à-vis des autres mouvements, tandis que celui de la fig. 5 n'assure aucune liaison avec le carter pour les déplacements suivant l'axe X Y, et présente une raideur faible pour les rotations autres que la rotation autour de l'axe X Y. La stabilité du rotor dans le sens axial est assu rée, d'une part par la composante radiale de la force d'attraction magnétique (composante Fc, fig. 1), et par la force centrifuge, d'autre part en donnant une légère conicité aux portées 11, 12 du stator (fig. 2).
Slow electric motor with hypocycloidal movement The present invention relates to a slow electric motor with hypocycloidal movement, that is to say having a sufficiently reduced speed of rotation so that it is possible to avoid adding a speed reducer to it in conditions applications where this is usually needed.
This motor comprises a fixed frame carrying a stator and a rotor driven in rotation and is charac terized in that the stator comprises a raceway in which the rotor rolls without sliding, the clearance between the rotor and said raceway being sufficiently small. with respect to the largest radial dimensions of the rotor so that the hypocycloidal movement of the latter can be substantially assimilated to a rotation around its axis, on which is superimposed a parasitic vibration of amplitude equal to said clearance,
and in that it comprises an elastic coupling device which connects the rotor to an output shaft which journals in the fixed frame carrying the stator and is arranged so as to absorb said parasitic vibration and not to transmit to the shaft output as said rotation.
An embodiment of the invention is shown, by way of example, in the accompanying drawing, in which FIG. 1 explains the principle of operation of the engine; fig. 2 shows, in sectional view through a plane passing through its axis of revolution, one embodiment of the invention; fig. 3 is a section along A B of FIG. 2; fig. 4 shows schematically, seen in perspective, a device for resiliently coupling the rotor to the output shaft of the motor; fig. 5 is a diagram of a device for suspending the stator.
Fig. 1 shows a rotor 1 mounted to rotate around its xy axis and generally separated by an air gap 2 from the stator. The rotation takes place under the action of a rotating force F. To this end, the rotor and the stator being made of magnetic material, a fixed magnetic field H1 and a rotating magnetic field H2 are created. For example, the rotor 1 comprises a permanent magnet supplying a radial magnetic field H1, the distribution of which presents a symmetry of revolution with respect to its axis.
The rotating field is created in any known way, for example using pole pieces 3, 4 and 7.8 forming part of the stator and whose respective windings 9a and 9b are supplied with pulsating alternating current c) with a shift of
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It is easy to see that the fields H1 and H2 are added in A and subtracted in B; consequently, the resulting field H3 is maximum in A, minimum in B.
The curve C1 which passes through the ends of the vectors H3 in this position of the rotating field H2 has been shown in broken lines. When the latter rotates at the speed w around the xy axis, the curve Cl undergoes the same rotation.
The force of attraction which is exerted between each point of the set of pole pieces 3, 4 and 7, 8 and the point opposite the rotor 1 is, as we know, proportional to the square of the magnetic field H3 which reigns at the corresponding point of air gap 2.
The distribution of the forces of attraction F in the air gap therefore has a maximum at point A where H3 is maximum, and the anisotropy of the forces of attraction is, because of this law in (H3) 2, even more accentuated than that of the field H "(curve C2). Under the action of the force F, the rotor 1 and a part 5 integral with the latter rolls along a raceway 6 with which the stator is fitted. This rolling takes place practically without sliding.The clearance r between the part 5 which the rotor carries and the raceway 6 is small compared to the larger radial dimensions of the rotor.
Under these conditions, the hypocycloidal movement of the part 5 is sensibly comparable to a rotation around its xy axis, at a uniform angular speed
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R being the radius of the part 5.
If an output shaft is coupled to the rotor via a positive suspension device, as will be explained later, this shaft provides power while rotating at a speed which has been significantly reduced, if we compare it to w. It can be demonstrated mathematically that the hypocycloidal movement of the rotor is in fact decomposed into a useful rotational movement accompanied by a parasitic radial vibration of which the amplitude is r and the pulsation or. This is why a suspension device capable of absorbing this parasitic vibration is necessary.
In fig. 1, the pole pieces 3, 4 and 7, 8 are arranged at right angles and the pulsation currents w which pass through them are offset by A rotating field is thus created. Of course,
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this field could be created in any other suitable way, for example using a three-phase winding.
It should be noted that the general structure of the engine is never perfectly symmetrical with respect to the axis of the assembly. It follows that in the rest position, and in the absence of the rotating field, there is a preferred direction in which the rotor comes into contact with the stator.
It will be noted that the rotating force F can be broken down into a force Fe which tends to apply the rotor, or more exactly its rolling device 5, against the raceway and a tangential force FT which causes the rotor to roll. This latter force tends to become greater as the load increases, the angle c) between F and Fe increasing, as the angle between the rotor field and the rotating field increases in a synchronous motor as the load increases. It is important that there is sufficient friction between the raceway and the rotor rolling element, for example the track roller, to prevent slippage.
One of the advantages of the motor described is its very low inertia and its high starting torque. This is due in particular to the fact that the gap can be minimal.
Figs. 2 and 3 show an embodiment of the engine according to the invention.
In the embodiment of FIGS. 2 and 3, the stator is formed by a cylindrical body 10, for example made of light alloy or plastic, comprising two bearing surfaces or tapered raceways 11, 12. In the body 10 are supported, by fixing to plates 32, 33, four cores in soft magnetic material: 13 and 14 on the one hand, arranged in a first plane passing through the axis of revolution xy of the whole motor, and 15 and 16, on the other hand, arranged in a second axial plane perpendicular to the first (to simplify the drawing, the core 16 and the corresponding winding have not been shown in FIG. 2).
The cores 13, 14, 15, 16 respectively carry coils 17, 18, 19 and 20. The rotor consists of a cylindrical magnet 21 taken between two stacks 22, 23, of magnetic sheet washers, which are arranged so to form with the cores air gaps 24, 25, very small, of 1 mm or 0.5 mm for example.
The rotor 22 is mounted on an axis 26. The latter carries two discs 27, 28, made of non-magnetic material, for example identical to that of the body 10.
These discs are designed to have a high friction coefficient on the bearing surfaces 11, 12: to this end, they are for example provided with rubber tires 29, 30.
The stator is resiliently suspended in a fixed casing 31, by means of a device such as that of FIG. 5, and the rotor is coupled to an output shaft 33 by means of another suspension device 34, shown schematically in FIG. 4.
The rotor suspension device shown in FIG. 4 comprises a rigid plate 39. At the two diagonally opposite corners of the plate 39 are fixed by their ends resilient blades 37 and 38, the other ends of which are respectively connected to two diametrically opposed points of the discs 27 or 28 of FIG. 2. Two identical blades 4.0 and 41 are fixed to the two other corners of the plate 39 and their opposite ends are respectively fixed to the two ends of an elongated plate 42 whose middle is secured to the shaft 33 of the motor (fig. 2).
The stator suspension device shown in FIG. 5 comprises a plate 43 at the four corners of which are respectively fixed four elastic blades 44 to 47. One end of each of these blades is fixed to the stator 10 and the other to the frame or casing 31.
Thus, both the stator 10 and the rotor 21, the latter through the bearing of the shaft 33, are elastically connected to the casing or frame 31 by the suspension devices shown in FIGS. 4 and 5.
In general, the rotor suspension device comprises two pairs of elastic blades. The ends of the blades of each pair are connected by elements forming a lever arm, the two lever arms being, in the embodiment shown, formed by the diagonals of the plate 39. The blades of a pair are, in the rest position, perpendicular to those of the other pair and all the blades are arranged in the same way with respect to the xy axis. The blades are rigid in the longitudinal direction, so that the torque is rigidly transmitted to the output shaft 33, two blades being subjected to compressive forces and two to tensile forces.
On the other hand, the blades are elastic in the direction of flexion and can therefore flex freely under the action of the movements of the rotor other than the rotation, for example under the action of the parasitic vibrations which was discussed above.
It will be noted that the rigidity of the blades must be proportional to the mass of the parts which they connect if it is desired that the resulting torque and force applied to the casing are zero. This condition is easily achieved with the flat blades used.
The operation of the motor shown in fig. 2. to 5 conforms to the principle statement illustrated in FIG. 1.
The two pairs of coils 17-18 and 19-20 being supplied by two alternating currents in quadrature, the corresponding magnetic circuits generate a field which rotates at an angular speed o) equal to the pulsation of the alternating current supply. This rotating field is superimposed in the air gap 24 on the continuous excitation field produced by the permanent magnet 21.
This results in a rotating force of attraction of the rotor 21, which rotates the latter around its axis 26 at a speed
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In this formula, r denotes the average clearance between the disks 27, 28 and the surfaces 11, 12, and R the radius of the disks 27, 28.
The rotor 21 and the stator are furthermore animated by parasitic vibration movements in phase opposition. It can then be shown that, for the casing 31 to be thereby subjected to a zero resultant, it suffices that the rotor and the stator be connected to it by springs situated in the same plane and having, for perpendicular translational movements to the XY axis, stiffnesses proportional to the respective mas its of these two parts. It can be shown that the device of FIG. 4 satisfies this condition as regards the rotor, that of FIG. 5 with regard to the stator.
It can also be shown that these two positive devices prevent the oscillation of the engine around an axis parallel to the plane of the suspension, the reactions of the casing constituting a system of forces equivalent to a resultant and to a zero torque.
These devices also transmit the torque of rotation around the axis X Y of the motor with great rigidity.
The device of FIG. 4 ensures elastic suspension of the rotor vis-à-vis other movements, while that of FIG. 5 provides no connection with the casing for movements along the XY axis, and has low stiffness for rotations other than rotation around the X Y axis. The stability of the rotor in the axial direction is ensured, on the one hand by the radial component of the magnetic attraction force (component Fc, fig. 1), and by the centrifugal force, on the other hand by giving a slight taper to the bearing surfaces 11, 12 of the stator (fig. 2) ).