Moteur électrique pour pièce d'horlogerie
La présente invention a pour objet un moteur électrique pour pièce d'horlogerie comprenant un rotor à aimantation permanente, un enroulement statorique sans noyau, et à spires planes, qui présente un plan de symétrie parallèle aux spires et contenant l'axe du rotor, un support d'enroulement en matériau amagnétique et une culasse annulaire en un matériau ferromagnétique à haute perméabilité et faible rémanence entourant le support.
Son but est de réaliser un moteur de dimensions minima présentant un rendement aussi élevé que possible et susceptible de fonctionner sous l'effet d'impulsions de courant envoyées dans l'enroulement statorique.
On connaît déjà des moteurs qui comportent un rotor à aimant permanent et des bobines statoriques galbées auto-portantes insérées entre le rotor et un cylindre de fermeture du champ. Toutefois, la fabrication de moteurs de ce genre est d'un coût relativement élevé car la réalisation de bobines galbées auto-portantes est délicate.
D'autre part, dans cette construction connue, la présence d'un cylindre de fermeture du champ empêche de faire tourner le rotor à un rythme intermittent, par pas de 1800, par exemple, étant donné que pour assurer le fonctionnement du moteur à un tel régime sans consommation de courant excessive, il est nécessaire de prévoir des moyens qui maintiennent le rotor dans une orientation déterminée en l'absence de courant dans l'enroulement.
On connaît par ailleurs des moteurs prévus pour des pièces d'horlogerie et dont les bobines statoriques entourent des pièces polaires présentant des semelles en arc de cercle embrassant le rotor. L'expérience a montré cependant que des réalisations de ce genre ne pouvaient pas être réduites à des dimensions compatibles avec une exécution assurant le fonctionnement d'un mouvement tel qu'un mouvement de montrebracelet lorsque la base de temps est, par exemple, un cristal de quartz.
Pour assurer un rendement aussi élevé que possible dans des dimensions très ramassées tout en permettant un fonctionnement pas à pas, le moteur selon l'invention est caractérisé en ce que ladite culasse présente au moins une paire d'ouvertures diamétralement opposées pratiquées dans une zone annulaire qui s'étend sur la hauteur du rotor, l'axe central de ces ouvertures étant oblique par rapport à l'axe magnétique de l'enroulement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du moteur selon l'invention.
La fig. 1 en est une vue en coupe axiale, selon un plan perpendiculaire à l'axe magnétique de l'enroulement statorique.
La fig. 2, une vue en plan de dessus.
La fig. 3, une vue en coupe axiale selon un plan contenant l'axe magnétique de l'enroulement statorique, et
la fig. 4, une vue éclatée des trois pièces constituant le corps du moteur.
Le rotor 1 du moteur de la fig. 1 est une pièce cylindrique en matériau ferromagnétique à forte rémanence, aimantée selon un plan diamétral. Cette pièce est montée sur un arbre 2, qui présente à son extrémité inférieure, à la fig. 1, un pivot 3 engagé dans un palier 4 constitué par une pierre d'horlogerie et à son extrémité supérieure un pivot allongé 5 qui traverse un second palier 6 formé comme le palier 4. Le pivot 5 s'étend jusqu'à l'extérieur du moteur, où il est destiné à recevoir un pignon ou un autre organe d'entraînement.
Les paliers 4 et 6 sont solidaires du corps du moteur qui est constitué lui-même de trois pièces une embase 7, un couvercle 8 et une culasse 9. L'embase 7 et le couvercle 8 sont constitués en un matériau amagnétique. Ils peuvent être en matière plastique et formés par injection avec les paliers, auquel cas, les pierres 4 et 6 sont supprimées, ou en un métal amagnétique. Dans ce dernier cas, ils peuvent être réalisés par usinage. L'embase 7 est une pièce de forme générale cylindrique qui présente dans sa face frontale supérieure un logement cylindrique 10 dont le fond est percé d'une ouverture centrale 11. Dans sa face inférieure et dans sa face latérale externe sont ménagées des gorges 12 et 12a (fig. 4) parallèles et disposées symétriquement de part et d'autre d'un plan diamétral.
Entre ces gorges subsistent deux éléments de nervures diamétralement opposés 13 et 13a. En outre, la portion restante de la face latérale externe présente des épaulements 14 et 14a et des éléments de portée cylindrique 15 et l5a. Le couvercle 8 présente une constitution semblable à l'exception du fait qu'en lieu et place des épaulements 14, 14a et des portées latérales 15 et 15a s'étendent des éléments saillants diamétralement opposés 16 et 16a présentant des faces internes incurvées 17 ajustées aux portées 15 et 15a de façon à permettre l'emboîte- ment du couvercle 8 sur l'embase 7 dans une position coaxiale à cette dernière.
Le logement cylindrique 21 (fig. 3) ménagé dans la face inférieure de la pièce 8 forme avec le logement 10 une chambre cylindrique dont les dimensions sont légèrement supérieures à celles du rotor 1 et qui est destinée à le contenir, l'ouverture centrale 1 1 de la pièce 7 et l'ouverture correspondante 22 de la pièce 8 étant munies chacune de l'un des paliers 4 et 6.
Lorsque les deux pièces 7 et 8 sont assemblées, les gorges 12 et 12a, de même que les gorges correspondantes 18 et 1 8a de la pièce 8 constituent des passages continus de forme annulaire dans lesquels sont bobinés les deux corps parallèles 23 et 24 de l'enroulement statorique. Les spires de cet enroulement sont ainsi contenues dans des plans parallèles perpendiculaires à l'axe magnétique de l'enroulement. L'ensemble de l'enroulement présente, d'autre part, un plan de symétrie diamétral, parallèle au plan des spires et s'étendant dans le sens des nervures 13, 13a de l'embase 7 et des nervures correspondantes 19, l9a du couvercle 8.
On voit à la fig. 2 que les extrémités internes des nervures 13 et 13a sont taillées en biseau selon les lignes 25 et 26. Cette disposition ménage entre les deux gorges du corps du moteur un passage pour le fil de l'enroulement lors du bobinage successif des deux corps de bobines.
La culasse 9 est constituée en matière ferromagnétique à faible rémanence et à forte perméabilité. Elle peut être en fer Armco et fabriquée par usinage, moulage, laminage, ou encore par frittage. Elle présente une forme tubulaire cylindrique et sa face interne est ajustée au diamètre externe des pièces 7 et 8. Cette bague a pour fonction de fermer le circuit magnétique du moteur et de le protéger contre les champs externes auquel il pourrait être soumis.
Pour faciliter le montage on peut, par exemple, donner à la partie inférieure 27 de sa face latérale externe une forme légèrement conique et ajuster la face interne avec un serrage légèrement plus prononcé dans la partie supérieure que dans la partie inférieure. La bague 9 peut ainsi être chassée facilement sur le corps formé par la réunion des pièces 7 et 8. Cependant, comme on le verra plus loin, dans une autre forme d'exécution, on peut également ajuster la bague 9 de façon qu'elle soit mobile en rotation sur le corps du moteur.
La culasse 9 présente deux ouvertures diamétralement opposées 28 et 29 qui s'étendent chacune dans leur longueur sur un arc de cercle d'environ 1200. Leur largeur est égale à environ le tiers de la hauteur totale de la bague, c'est-à-dire le tiers de la hauteur du moteur et, comme on le voit à la fig. 3, cette largeur des ouvertures 28 et 29 est approximativement égale à la longueur axiale du rotor 1. Les deux extrémités de chaque ouverture sont arrondies en demi-cercle alors que les parties centrales des bords des ouvertures s'étendent dans des plans perpendiculaires à l'axe du rotor.
En chassant la bague 9 sur le corps du moteur, on l'oriente de façon que l'une des extrémités de chaque ouverture se trouve dans l'axe défini par les nervures 13, 13a, 19, l9a de sorte que l'autre extrémité des ouvertures est orientée à environ 300 par rapport à l'axe magnétique des enroulements.
Avec cette disposition, l'axe central de symétrie des ouvertures est orienté à 300 par rapport à l'axe magnétique de l'enroulement alors que l'axe central des parties pleines subsistant entre les ouvertures est orienté à 600 par rapport à cet axe magnétique. Dans d'autres formes d'exécution, la longueur des ouvertures pourrait être différente. Elle pourrait être réduite jusqu'à environ 600.
Cependant, on a trouvé qu'avec les dimensions indiquées ci-dessus, on obtenait un rendement optimum.
Le moteur décrit est destiné à être commandé par des impulsions de courant et à tourner pas à pas. En l'ab- sence de courant, l'axe magnétique du rotor s'oriente spontanément dans une direction perpendiculaire à l'axe central des ouvertures 28 et 29. C'est, en effet, dans cette position que le circuit magnétique passant par le rotor et la culasse 9 est le plus court. Si, avec la disposition représentée à la fig 2, et le moteur étant arrêté dans la position préférentielle définie ci-dessus, on envoie dans l'enroulement statorique une impulsion de courant telle qu'elle exerce sur le rotor un couple le faisant tourner dans le sens des aiguilles de la montre, cette impulsion entraînera le rotor jusqu'à ce que son axe magnétique soit parallèle à l'axe magnétique de l'enroulement.
L'impulsion ayant cessé, le couple de rappel magnétique sur le rotor fera tourner celui-ci jusque dans une position diamétralement opposée à celle qu'il occupait au début.
Si la seconde impulsion envoyée dans l'enroulement statorique est de polarité inverse de celle de la première, le rotor effectuera un second demi-tour dans le même sens que le premier. L'envoi d'impulsions de courant de polarité alternée à intervalles de temps réguliers dans l'en- roulement statorique cause donc un mouvement de rotation saccadé par angles de 1800, du rotor 1.
Bien que cette forme de fonctionnement du moteur soit une forme particulièrement avantageuse, il est évident que le rotor décrit peut également être entraîné en rotation continue. Il suffit pour cela que les impulsions de courant soient suffisamment rapprochées pour éviter tout arrêt dans les positions de repos déterminées par les ouvertures de la bague 9. D'autre part, le mouvement peut également être un mouvement oscillant. Ce sera le cas si les impulsions de courant envoyées dans l'enroulement statorique sont de même polarité. Le rotor oscillera entre l'orientation définie par l'axe central des parties pleines de la bague et l'axe magnétique de l'enroulement.
On remarque en particulier qu'une telle oscillation peut avoir lieu dans le cas de fonctionnement décrit en premier lieu si la polarité de la première impulsion envoyée dans l'enroulement statorique est telle que le couple subi par le rotor tend à le faire tourner dans le sens inverse des aiguilles de la montre. Le rotor effectuera au maximum 300 dans ce sens puis reviendra à sa position initiale et l'impulsion suivante l'entraînera dans le sens voulu. D'autre part, on voit qu'il suffit de faire tourner la bague 9 par rapport au corps du moteur d'un angle de 600 dans le sens inverse des aiguilles de la montre pour que dans les mêmes conditions que précédemment le moteur tourne en sens inverse.
Le mobile monté sur l'extrémité de l'arbre 2 peut être un pignon entraînant un rouage comprenant lui même des mobiles de secondes, de minutes et d'heures portant les organes indicateurs correspondants dans une pièce d'horlogerie électronique, par exemple une montre ou une pendulette à quartz. La fréquence des impulsions peut être par exemple de une seconde, le moteur tournant donc par saccade à une vitesse de 30 tours par minute.
Dans une autre forme d'utilisation, on pourrait également monter sur le pivot 5 un organe portant un cliquet coopérant avec une roue à rochet de façon à l'entraîner en rotation pas à pas.
Il résulte de ce qui précède que la culasse en matière ferromagnétique à faible rémanence entoure aussi étroitement que possible le support de l'enroulement à spires planes et remplit ainsi deux fonctions simultanément: d'une part, elle ferme le chemin du flux magnétique et contribue par là à assurer au moteur un rendement aussi élevé que possible et, d'autre part, grâce aux ouvertures décrites, elle détermine la position de repos du rotor de sorte qu'elle permet un fonctionnement à un régime pas à pas, les impulsions de courant qui commandent à chaque pas la rotation d'un demi-tour pouvant être relativement espacées les unes des autres. L'expérience a montré en effet que la durée de chaque impulsion pouvait être de l'ordre du dixième de l'intervalle de temps séparant deux impulsions.
Le reste du temps, le rotor est maintenu dans une position fixe déterminée par la forme de la culasse. En effet, l'axe d'aimantation du rotor est alors en coïncidence avec le plan diamétral perpendiculaire à l'axe de symétrie des ouvertures. Cette fixation de la position de repos du rotor est obtenue sans la présence de pièces saillantes à l'intérieur de la culasse, c'està-dire sans augmentation de l'encombrement du moteur.
Il est bien évident d'après ce qui précède que les deux ouvertures 28 et 29 ménagées dans la culasse ne doivent pas nécessairement avoir toutes les deux les mêmes dimensions. L'une ou l'autre de ces ouvertures peut être remplacée par une pluralité d'ouvertures ménagées les unes à côté des autres, et embrassant soit un
angle de 600 ou plus, soit un angle inférieur à 600. I1 sera préférable cependant qu'au moins une des ouvertures ou un des ensembles d'ouvertures s'étende sur un arc d'au moins 600, et sur une longueur axiale à peu près
égale à celle du rotor. Quant à l'autre ouverture ou à l'autre ensemble d'ouvertures, sa surface totale peut être plus réduite et à la limite on pourrait très bien concevoir
une culasse n'ayant qu'une seule ouverture, d'une envergure de 600 au moins.
Au lieu d'être constituée par un élément tubulaire
métallique auto-portant, la culasse pourrait aussi, dans certaines formes d'exécution, être constituée par exemple par une couche de matière ferromagnétique déposée sur la face interne d'un support présentant une ouverture
cylindrique. Les ouvertures pratiquées dans la culasse
seraient alors constituées par des zones où cette couche
serait interrompue ou revêtirait une partie du support
plus éloignée du rotor.
Electric motor for timepiece
The present invention relates to an electric motor for a timepiece comprising a rotor with permanent magnetization, a stator winding without core, and with planar turns, which has a plane of symmetry parallel to the turns and containing the axis of the rotor, a winding support made of non-magnetic material and an annular yoke made of ferromagnetic material with high permeability and low remanence surrounding the support.
Its aim is to produce a motor of minimum dimensions exhibiting as high an efficiency as possible and capable of operating under the effect of current pulses sent into the stator winding.
Motors are already known which include a permanent magnet rotor and self-supporting curved stator coils inserted between the rotor and a field closing cylinder. However, the manufacture of motors of this type is relatively expensive because the production of self-supporting curved coils is difficult.
On the other hand, in this known construction, the presence of a field closing cylinder prevents the rotor from rotating at an intermittent rate, in steps of 1800, for example, since to ensure the operation of the motor at a such a regime without excessive current consumption, it is necessary to provide means which maintain the rotor in a determined orientation in the absence of current in the winding.
Also known are motors intended for timepieces and the stator coils of which surround pole pieces having soles in an arc of a circle embracing the rotor. Experience has shown, however, that embodiments of this type could not be reduced to dimensions compatible with an execution ensuring the operation of a movement such as a wristwatch movement when the time base is, for example, a crystal. quartz.
To ensure as high an efficiency as possible in very compact dimensions while allowing step-by-step operation, the motor according to the invention is characterized in that said cylinder head has at least one pair of diametrically opposed openings made in an annular zone. which extends over the height of the rotor, the central axis of these openings being oblique with respect to the magnetic axis of the winding.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the engine according to the invention.
Fig. 1 is a view thereof in axial section, along a plane perpendicular to the magnetic axis of the stator winding.
Fig. 2, a top plan view.
Fig. 3, a view in axial section along a plane containing the magnetic axis of the stator winding, and
fig. 4, an exploded view of the three parts constituting the body of the engine.
The rotor 1 of the motor of FIG. 1 is a cylindrical part made of a high remanence ferromagnetic material, magnetized along a diametral plane. This part is mounted on a shaft 2, which has at its lower end, in FIG. 1, a pivot 3 engaged in a bearing 4 consisting of a clockwork stone and at its upper end an elongated pivot 5 which passes through a second bearing 6 formed like the bearing 4. The pivot 5 extends to the outside. of the engine, where it is intended to receive a pinion or other drive member.
The bearings 4 and 6 are integral with the body of the motor which itself consists of three parts: a base 7, a cover 8 and a cylinder head 9. The base 7 and the cover 8 are made of a non-magnetic material. They can be made of plastic and formed by injection with the bearings, in which case the stones 4 and 6 are omitted, or of a non-magnetic metal. In the latter case, they can be produced by machining. The base 7 is a part of generally cylindrical shape which has in its upper front face a cylindrical housing 10 whose bottom is pierced with a central opening 11. In its lower face and in its outer side face are formed grooves 12 and 12a (Fig. 4) parallel and symmetrically arranged on either side of a diametral plane.
Between these grooves remain two diametrically opposed rib elements 13 and 13a. Further, the remaining portion of the outer side face has shoulders 14 and 14a and cylindrical bearing members 15 and 15a. The cover 8 has a similar constitution except for the fact that instead of the shoulders 14, 14a and the side surfaces 15 and 15a extend diametrically opposed projecting elements 16 and 16a having curved internal faces 17 fitted to the sides. carried 15 and 15a so as to allow the cover 8 to be fitted onto the base 7 in a position coaxial with the latter.
The cylindrical housing 21 (fig. 3) formed in the underside of the part 8 forms with the housing 10 a cylindrical chamber whose dimensions are slightly greater than those of the rotor 1 and which is intended to contain it, the central opening 1 1 of part 7 and the corresponding opening 22 of part 8 each being provided with one of the bearings 4 and 6.
When the two parts 7 and 8 are assembled, the grooves 12 and 12a, as well as the corresponding grooves 18 and 1 8a of the part 8 constitute continuous passages of annular shape in which are wound the two parallel bodies 23 and 24 of the stator winding. The turns of this winding are thus contained in parallel planes perpendicular to the magnetic axis of the winding. The entire winding has, on the other hand, a diametrical plane of symmetry, parallel to the plane of the turns and extending in the direction of the ribs 13, 13a of the base 7 and the corresponding ribs 19, 19a of the cover 8.
We see in fig. 2 that the internal ends of the ribs 13 and 13a are bevelled along lines 25 and 26. This arrangement provides between the two grooves of the motor body a passage for the winding wire during the successive winding of the two coil bodies .
The cylinder head 9 is made of a low remanence and high permeability ferromagnetic material. It can be made of Armco iron and manufactured by machining, casting, rolling, or by sintering. It has a cylindrical tubular shape and its internal face is adjusted to the external diameter of the parts 7 and 8. The function of this ring is to close the magnetic circuit of the motor and to protect it against the external fields to which it could be subjected.
To facilitate assembly, it is possible, for example, to give the lower part 27 of its external lateral face a slightly conical shape and to adjust the internal face with a slightly more pronounced clamping in the upper part than in the lower part. The ring 9 can thus be easily driven off the body formed by the union of the parts 7 and 8. However, as will be seen later, in another embodiment, the ring 9 can also be adjusted so that it is mobile in rotation on the motor body.
The cylinder head 9 has two diametrically opposed openings 28 and 29 which each extend in their length over an arc of a circle of approximately 1200. Their width is equal to approximately one third of the total height of the ring, that is to say - say a third of the height of the motor and, as seen in fig. 3, this width of the openings 28 and 29 is approximately equal to the axial length of the rotor 1. The two ends of each opening are rounded in a semicircle while the central parts of the edges of the openings extend in planes perpendicular to the rotor axis.
By driving out the ring 9 on the motor body, it is oriented so that one end of each opening is in the axis defined by the ribs 13, 13a, 19, l9a so that the other end of the openings is oriented about 300 from the magnetic axis of the windings.
With this arrangement, the central axis of symmetry of the openings is oriented at 300 relative to the magnetic axis of the winding while the central axis of the solid parts remaining between the openings is oriented at 600 relative to this magnetic axis. . In other embodiments, the length of the openings could be different. It could be reduced to around 600.
However, it has been found that with the dimensions indicated above optimum efficiency is obtained.
The motor described is intended to be controlled by current pulses and to rotate step by step. In the absence of current, the magnetic axis of the rotor orients itself spontaneously in a direction perpendicular to the central axis of the openings 28 and 29. It is, in fact, in this position that the magnetic circuit passing through the rotor and the cylinder head 9 is the shortest. If, with the arrangement shown in Fig. 2, and the motor being stopped in the preferred position defined above, a current pulse is sent into the stator winding such that it exerts a torque on the rotor causing it to rotate in clockwise, this pulse will drive the rotor until its magnetic axis is parallel to the magnetic axis of the winding.
The impulse having ceased, the magnetic return torque on the rotor will cause the latter to turn to a position diametrically opposite to that which it occupied at the beginning.
If the second pulse sent into the stator winding is of the opposite polarity to that of the first, the rotor will make a second half-turn in the same direction as the first. Sending current pulses of alternating polarity at regular time intervals into the stator winding therefore causes jerky rotational movement at 1800 angles of rotor 1.
Although this form of motor operation is a particularly advantageous form, it is evident that the described rotor can also be driven in continuous rotation. It suffices for this that the current pulses are sufficiently close together to avoid any stopping in the rest positions determined by the openings of the ring 9. On the other hand, the movement can also be an oscillating movement. This will be the case if the current pulses sent into the stator winding are of the same polarity. The rotor will oscillate between the orientation defined by the central axis of the solid parts of the ring and the magnetic axis of the winding.
Note in particular that such an oscillation can take place in the case of operation described first if the polarity of the first pulse sent into the stator winding is such that the torque undergone by the rotor tends to make it rotate in the counterclockwise. The rotor will perform a maximum of 300 in this direction and then return to its initial position and the next pulse will drive it in the desired direction. On the other hand, we see that it suffices to rotate the ring 9 with respect to the body of the motor by an angle of 600 in the anti-clockwise direction so that under the same conditions as before the motor turns in reverse.
The mobile mounted on the end of the shaft 2 may be a pinion driving a cog itself comprising seconds, minutes and hours moving bodies carrying the corresponding indicator members in an electronic timepiece, for example a watch. or a quartz clock. The frequency of the pulses may for example be one second, the motor therefore rotating jerkily at a speed of 30 revolutions per minute.
In another form of use, one could also mount on the pivot 5 a member carrying a pawl cooperating with a ratchet wheel so as to drive it in rotation step by step.
It follows from the above that the yoke made of low remanence ferromagnetic material surrounds as closely as possible the support of the winding with plane turns and thus fulfills two functions simultaneously: on the one hand, it closes the path of the magnetic flux and contributes thereby ensuring the motor as high an efficiency as possible and, on the other hand, thanks to the openings described, it determines the rest position of the rotor so that it allows operation at a step by step speed, the pulses of currents which control at each step the rotation of a half-turn which can be relatively spaced from each other. Experience has in fact shown that the duration of each pulse could be of the order of a tenth of the time interval separating two pulses.
The rest of the time, the rotor is held in a fixed position determined by the shape of the cylinder head. Indeed, the axis of magnetization of the rotor is then in coincidence with the diametral plane perpendicular to the axis of symmetry of the openings. This fixing of the rest position of the rotor is obtained without the presence of projecting parts inside the cylinder head, that is to say without increasing the size of the engine.
It is obvious from the foregoing that the two openings 28 and 29 formed in the cylinder head need not both have the same dimensions. One or the other of these openings can be replaced by a plurality of openings arranged one beside the other, and embracing either a
angle of 600 or more, ie an angle of less than 600. It will be preferable, however, that at least one of the openings or one of the sets of openings extends over an arc of at least 600, and over an axial length of approximately near
equal to that of the rotor. As for the other opening or the other set of openings, its total area may be smaller and at the limit one could very well conceive
a cylinder head having only one opening, with a wingspan of at least 600.
Instead of being made up of a tubular element
self-supporting metal, the cylinder head could also, in certain embodiments, consist for example of a layer of ferromagnetic material deposited on the internal face of a support having an opening
cylindrical. The openings in the cylinder head
would then be formed by areas where this layer
would be interrupted or would cover part of the support
farther from the rotor.