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.