CH631856B5 - Miniature motor for clockwork movement - Google Patents

Description

La présente invention est relative à un moteur miniature pour mouvement d'horlogerie, comprenant un stator non magnétique ayant une cavité centrale de dimensions prédéterminées, une carcasse annulaire de perméabilité élevée et de faible rémanence entourant de façon contigue le stator, des enroulements disposés à l'intérieur du stator pour créer un champ magnétique de direction déterminée quand ils sont excités par les impulsions de courant de commande, un rotor comportant un arbre sur lequel est monté un aimant permanent ayant des pôles nord et sud, ce rotor avançant pas à pas de 180 ° à chaque excitation des enroulements et étant disposé à l'intérieur de la cavité centrale.

Les moteurs électriques pour mouvements de montre sont par leur destination même des organes très petits, ayant généralement des dimensions hors tout de l'ordre de quelques millimètres. Des moteurs miniatures pour montres sont déjà connus, mais la plupart d'entre eux, sinon la totalité, présentent certains problèmes d'assemblage, de démontage, de rendement et de couple.

On connaît, notamment par les brevets CH N° 514181 et CH N° 510293, des moteurs électriques pour mouvements d'horlogerie comprenant un rotor à aimantation permanente, un enroulement statorique sans noyau muni d'un support en matériau amagnétique, et une culasse annulaire en matériau ferromagnétique dans lesquels le stator est agencé de manière qu'en absence de courant le rotor prenne une orientation préférentielle différente de celle du plan de symétrie de l'enroulement statorique.

Le brevet CH 510 293 décrit plus précisément un moteur miniature ayant deux vis diamétralement opposées vissées dans le stator du moteur d'une façon tangentielle au rotor afin de fournir une orientation préférentielle de ce dernier en s l'absence d'excitation. Ceci est une façon particulière de se procurer une magnétisation pour arrêter le rotor.

Enfin, les figures 58 et 58B du brevet français 981 246 décrivent un moteur comportant un aimant A2 qui ramène le rotor à une direction fixe, tandis qu'un disque porteur de paio liers est monté à la périphérie du stator; ce moteur comporte un stator, un rotor, un matériel isolant entourant ce stator et une carcasse extérieure, trois enroulements au moins étant enrobés par le matériel isolant ainsi que l'aimant.

L'objet de cette invention consiste donc en un moteur minia-i5 ture pour un mouvement d'horlogerie, comprenant un stator non magnétique ayant une cavité centrale de dimensions prédéterminées, une carcasse unnulaire de perméabilité élevée et de faible rémanence entourant de façon contiguë le stator, des enroulements disposés à l'intérieur du stator pour créer un 20 champ magnétique de direction déterminée quand ils sont excités par les impulsions de courant de commande, un rotor comportant un arbre sur lequel est monté un aimant permanent ayant des pôles nord et sud, ce rotor avançant pas à pas de 180 ° à chaque excitation des enroulements et étant disposé 25 à l'intérieur de la cavité centrale, ce moteur étant caractérisé en ce que le stator comporte un corps de bobine en une seule pièce qui présente des rainures longitudinales et transversales recevant les enroulements; en ce que deux disques non magnétiques relativement rigides sont fixés par leur pourtour à la 30 surface interne du stator pour fermer la cavité cylindrique et définir ainsi une chambre et pour rigidifier l'ensemble moteur; en ce ces disques comportent chacun un support central venu d'une pièce avec le disque et s'étendant perpendiculairement hors du disque du côté opposé à la cavité, ces supports cons-35 tituant les paliers de l'arbre du rotor; en ce que la carcasse est cylindrique et est fixée au corps de bobine, et en ce que deux pièces polaires de perméabilité élevée et de faible rémanence sont fixées sur la paroi intérieure de la carcasse mais à l'extérieur des enroulements, ces deux pièces étant éloignées 40 du rotor et s'étendant parallèlement à son arbre de sorte qu'elles établissent une polarisation magnétique seulement quand l'un des pôles du rotor vient à proximité, afin d'arrêter le rotor à une position déterminée par rapport à la normale du champ magnétique produit par les enroulements.

45 Selon un mode de réalisation particulier du moteur selon l'invention, le dispositif formant des pôles comprend deux tiges en fer doux diamétralement opposées qui sont attachées à la paroi interne de la carcasse annulaire et disposées sous un angle par rapport à la normale à la direction du champ 50 magnétique pour former ainsi un dispositif de polarisation destiné à arrêter le moteur à la même position après chaque excitation des enroulements et pour réduire le couple de démarrage que le moteur doit développer lorsqu'il reçoit une excitation de démarrage.

55 Le moteur selon la présente invention comporte donc au moins une pièce polaire ferromagnétique de perméabilité élevée et de faible rémanence attachée à la paroi intérieure de la carcasse annulaire externe aux enroulements, cette pièce polaire s'étendant parallèlement à l'arbre afin d'établir une polarisation magnétique 60 seulement lorsque l'un des pôles du rotor vient à sa proximité, ce qui n'est pas le cas du brevet français N° 981246, qui ne concerne pas un moteur pas à pas, mais un moteur nécessitant la création d'un champ continu. Un tel moteur, d'ailleurs, s'il était alimenté par impulsions, aurait une rotation de 360 et non de 180 , ceci 65 étant dû à l'aimant A2 obligeant le rotor à faire un tour complet entre chaque impulsion.

Le moteur décrit dans le brevet français précité ne comporte pas de stator qui inclut une bobine d'une seule pièce ayant des

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rainures longitudinales et transversales pour recevoir les enroulements.

Les enroulements ne sont en effet pas une partie du stator,

mais sont enrobés dans l'isolant et sont donc séparés. Cette séparation demande donc un courant d'excitation plus important pour engendrer un couple équivalent. De plus, on ne retrouve pas dans ce moteur, contrairement au moteur selon l'invention, un disque de fermeture relativement rigide comportant un support de palier s'étendant perpendiculairement à celui-ci avec un palier disposé en bout de ce support.

Le moteur miniature selon l'invention présente en outre des moyens de positionnement du rotor différents de ceux décrits dans les trois brevets précités, et comporte un support de palier et son palier pour l'arbre du rotor qui n'est décrit par aucun de ces brevets.

L'un des désavantages du moteur du brevet CH N° 510293 est principalement dû au fait d'une construction beaucoup plus coûteuse résultant de l'emploi de vis et filetages et d'un montage plus compliqué. Avec le moteur selon l'invention, toutes ces opérations ne sont pas nécessaires: la pièce polaire est simplement attachée à la paroi de la carcasse au moyen d'un adhésif quelconque, sans qu'aucun alignement précis ne soit requis.

Le moteur miniature selon l'invention présente donc, par rapport aux techniques connues et révélées par les trois brevets cités, des améliorations significatives notamment dans la consommation de puissance de son moteur. Par exemple, pour un moteur conforme au brevet CH N° 510293, une puissance de plusieurs milliwatts serait nécessaire tandis que le moteur selon l'invention ne nécessite que quelques microwatts.

Les caractéristiques du moteur miniature selon l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre en référence au dessin annexé, sur lequel :

La fig. 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel et à grande échelle d'un moteur selon l'invention :

la fig. 2 est une vue en élévation prise à peu près dans le sens des flèches 2-2 de la fig. 1, mais à plus petite échelle;

La fig. 3 est une vue en élévation prise à peu près dans le sens des flèches 3-3 de la fig. 2:

La fig. 4 est une vue en plan et partiellement en coupe d'un des composants du moteur selon l'invention;

la fig. 5 est une vue en élévation prise à peu près dans le sens des flèches 5-5 de la fig. 4, et la fig. 6 est une vue en élévation latérale et partiellement en coupe, prise à peu près dans le sens des flèches 6-6 de la fig. 5.

Le moteur représenté sur les dessins est désigné dans son ensemble par 10 et se compose grossièrement d'un stator 11 et d'une partie tournante 12. Le stator comprend une culasse annulaire 13, un support d'enroulement ou bobine 14 formant en même temps le support de l'ensemble du moteur, des enroulements 15 et 16 et des flasques 17 et 18 dans lesquels sont formés les paliers pour l'arbre. La partie tournante 12 se compose d'un rotor 19, qui peut avoir la forme d'un disque, et d'un arbre 21 qui est attaché au centre du rotor 19 par un adhésif, pai exemple par une résine époxy. Le rotor 19 peut être en n'importe quel alliage magnétique connu à intensité d'aimantation élevée et à perméabilité élevée, par exemple en un alliage de samari um et de cobalt, et il est aimanté de manière qu'il présente un pôle nord et un pôle sud aux extrémités opposées d'un diamètre particulier. On peut utiliser dans certains cas un aimant en barreau ordinaire à la place d'un aimant discoïde.

La bobine 14, voir également les fig. 4, 5 et 6, est formée d'une seule pièce moulée selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Elle peut être en Nylon, chlorure de polyvinyle ou toute autre matière synthétique ayant une stabilité dimensionnelle et une rigidité suffisantes pour cette application. La matière doit être non magnétique et, dans certains cas, on peut utiliser aussi du laiton ou de l'aluminium, par exemple, bien qu'il soit nécessaire dans ce cas d'anodiser ces métaux pour former une surface isolante afin d'éviter des courts-circuits dans ou entre les enroulements finalement disposés sur la bobine.

La bobine 14 est une pièce généralement cylindrique présentant une cavité cylindrique centrale 22 pour la réception du s rotor 19 avec un jeu suffisant entre la paroi de la cavité 22 et la surface extérieure du rotor 19. Dun côté d'un plan axial imaginaire (qui est orienté horizontalement dans l'exemple représenté), la bobine 14 présente des rainures transversales 23 et 24 (fig. 6) et des rainures longitudinales 27 et 28 (fig. 5), tandis que des rai-îo nures transversales 25, 26 et des rainures longitudinales 29 et 31 sont formées dans la partie de la bobine 14 située de l'autre côté de ce plan axial, c'est-à-dire sur la partie représentée en bas sur les figures et notamment les fig. 5 et 6. Les rainures 23, 24 et 27, 28 forment ensemble une encoche de bobinage dans laquelle est 15 formé ou disposé un enroulement 15 (fig. 2), et les rainures 25,26 et 29, 31 forment ensemble une deuxième encoche de bobinage dans laquelle est formé ou disposé un enroulement 16.

Les surfaces intérieures ou fonds 68, 69 et 71, 72 des rainures 23, 24 respectivement 25, 26 sont parallèles, comme cela 2c ressort le mieux de la fig. 6, mais les fonds 32 et 33 des rainures 27 et 28, voir la fig. 5, sont inclinés l'un par rapport à l'autre et sont en fait orientés tangentiellement à la surface cylindrique de la cavité 22. Cette obliquité des fonds 32, 33 des rainures 27 et 28 permet de loger dans celles-ci un plus grand nombre de spires de 25 fil que dans des rainures semblables ayant des fonds parallèles. L'augmentation de l'espace d'enroulement utile ressort clairement de la comparaison des parties hachurées plus foncées 20 et des parties hachurées plus claires 30 sur la fig. 2.

L'obliquité des fonds 32 et 33 permet en outre d'approcher 30 l'enroulement davantage de la paroi cylindrique de la cavité 22, donc également de la surface extérieure du rotor magnétique 19 disposé dans cette cavité. On obtient ainsi un circuit magnétique ayant moins de pertes. Le moteur est de ce fait capable de développer un couple plus élevé ou une plus grande puissance à la 35 sortie pour la même puissance à l'entrée. Les rainures 29 et 31 possèdent également des fonds inclinés 34 et 35, et l'encoche d'enroulement formée par les rainures 25, 26 et 29, 31 peut donc également recevoir davantage de spires pour les raisons indiquées ci-dessus. L'obliquité des fonds 32,33 et 34,35 permet de loger 40 dans les encoches environ 20% plus de spires que dans les encoches prévues jusqu'à présent dans ce type de moteurs.

La cavité cylindrique 22 se raccorde à chaque extrémité axiale à un chambrage circulaire 36, repectivement 37 (fig. 6) qui est destiné à'recevoir la partie discoïde ou joue 38, respectivement 39 45 du flasque 17 respectivement 18, comme décrit plus en détail dans ce qui va suivre.

La formation dans la bobine 14 des rainures d'enroulement 23, 24 et 27, 28 respectivement 25, 26 et 29, 31 laisse subsister sur la bobine deux parties 41 et 42 en forme de segments et so deux parties 43 et 44 ayant en section transversale la forme de bossages radiaux. Dans les extrémités axiales des segments 41 et 42 sont formées des découpes radiales 47 et 48 pour la réception des extrémités 49 et 51 de broches de connexion 52 et 53. Les extrémités élargies 49 et 51 des broches sont emmanchées à force 55 dans des trous 54 et 55 formés dans les segments 41 et 42. Les bossages 43 et 44 présentent chacun un trou 56 ou 57 pour le passage de vis de fixation pour le cas où l'on désire fixer le moteur de cette manière.

Le flasque 17 comprend une partie en forme de manchon 58, 60 la partie discoïde ou joue radiale 38 de grand diamètre dont il a déjà été question et qui se raccorde à angle droit à la partie 58 à une des extrémités de celle-ci et, à l'extrémité opposée, un rebord intérieur 59 de plus petit diamètre qui constitue par sa surface intérieure centrale le palier pour l'une des extrémités de l'arbre 21. 65 De façon analogue, le flasque 18 comprend une joue radiale 39 de grand diamètre, une partie 60 en forme de manchon qui est perpendiculaire à cette joue, et un rebord intérieur 61 plus petit à l'autre extrémité de la partie en manchon 60 pour supporter

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l'autre extrémité de l'arbre 21. Du fait que les rebords ou paliers 59 et 61 sont situés aux extrémités extérieures des parties 58 et 60 en forme de manchon, les points d'appui de l'arbre 21 sont très espacés l'un de l'autre, si bien que l'arbre 21 est supporté d'une manière très stable et précise. Les flasques 17 et 18 peuvent être en n'importe quelle matière dure, non magnétique et ayant une grande stabilité dimensionnelle. La titulaire a constaté qu'une matière convenant à cette application est un alliage de béryllium et de cuivre. Lorsque les paliers 59 et 61 sont faits d'une telle matière, il n'est pas nécessaire de prévoir une lubrification. Quoique l'on puisse néanmoins prévoir une lubrification si cela est désiré.

Lors de l'assemblage, il est préférable de monter tout d'abord le rotor 19 sur l'abre 21 et de les disposer ensuite dans la cavité 22 de la bobine 14. On glisse ensuite les flasques 17 et 18 sur l'arbre 21 de manière que les joues 38 et 39 s'emboîtent dans les chambrages 36 et 37 aux extrémités de la cavité 22. On dépose après cela des bourrelets 62 (fig. 1) d'une matière synthétique, qui peut être la même que celle de la bobine, sur les bords extérieurs des joues 38 et 39 et sur les parties de la paroi cylindrique des chambrages 36 et 37 situées sur les segments 41 et 42. Les joues 38 et 39 sont ainsi reliées solidement à la bobine 14 et forment avec celle-ci une structure relativement rigide qui assure un maintien en place précis et solide de l'arbre 21. Après l'assemblage de la bobine 14, du rotor 19, de l'arbre 21 et des flasques 17 et 18, on bobine les enroulements 15 et 16 dans les encoches correspondantes. Les enroulements 15 et 16 sont bobinés dans les encoches formées par les rainures décrites et le long des fonds inclinés 32, 33, 34 et 35 sous la tension habituelle pour du fil utilisé dans un tel moteur, par exemple du fil N° 55 ASW. Il est possible d'enrouler environ 47,5 m de ce fil en tout, formant environ 2200 spires dans chacun des enroulements 15 et 16; la résistance des enroulements est dans ce cas d'environ 5,6 kQ. La tension d'enroulement a pour effet que la paroi interne de la cavité cylindrique 22 est appliquée fermement contre les bords extérieurs des joues 38 et 39, de sorte qu'on obtient en fait une structure monolithique. Les enroulements entourant les joues 38 et 39 contribuent considérablement à la rigidité de l'ensemble. La fig. 2 montre que les enroulements 15 et 16 sont reliés par un brin de fil 63 et que les extrémités 64 et 65 des enroulements sont placés transversalement dans les encoches 66 et 67 formées dans les extrémités 49 et 51 des broches de connexion 52 et 53.

Les chambrages 36 et 37 (fig. 6) se raccordant aux extrémités de la cavité cylindrique 22 sont situés suffisamment à l'intérieur des fonds 68, 69 et 71, 72 des rainures transversales 23 à 26 pour que la couche des enroulements 15 et 16 située le plus à l'intérieur soit légèrement écartée des surfaces extérieures des joues 38, 39, ce qui évite la possibilité de courts-circuits.

L'ensemble formé par le rotor, la bobine et les enroulements est entouré par la culasse annulaire 13. Celle-ci a la forme d'une enveloppe cylindrique ayant une dimension longitudinale ou axiale qui est égale ou légèrement supérieure à la dimension longitudinale de la bobine 14. Sur la paroi interne de la culasse annulaire sont fixées deux tiges diamétralement opposées 45 et 46 en fer doux qui sont disposées dans un plan diamétral faisant un angle a avec la normale à l'axe du champ créé par les enroulements. Ces tiges forment des pôles constituant un dispositif produisant une force pour arrêter le rotor à une position déterminée. Les tiges 45 et 46 peuvent être attachées à la culasse annulaire 13 de toute manière appropriée, par exemple par soudage, collage au moyen d'une résine époxy, ou d'une autre manière.

Le diamètre intérieur de la culasse annulaire 13 est seulement un peu plus grand que le diamètre extérieur de la bobine 14, de manière que la culasse puisse être montée avec un ajustage très serré sur la bobine. La culasse portant les tiges 45 et 46 est orientée par rapport à la bobine de la manière déjà décrite et elle est fixée à la bobine au moyen d'un adhésif flexible évitant toute contrainte ou déformation mécanique.

Pendant le fonctionnement du moteur, des impulsions positives et négatives sont appliquées successivement aux enroulements 15 et 16, de manière que ceux-ci engendrent un champ magnétique dont la direction est indiquée par la flèche 73 sur la 5 fig. 2. L'application de chaque impulsion de tension fait avancer le rotor d'un pas, correspondant à une rotation de 180°, jusqu'à ce qu'il se trouve dans l'axe des pôles 45, 46, c'est-à-dire sous un angle a avec la normale à la direction du champ indiquée par la flèche 73. Le rotor s'arrête à cette position. L'application de io l'impulsion suivante fait à nouveau tourner le rotor d'un demi-tour, jusqu'à ce qu'il se trouve dans l'axe de pôles 45, 46.

L'angle a peut être de l'ordre de 30\ ce qui assure que le rotor démarre toujours dans le même sens.

Du fait que les tiges 45 et 46 sont placées sur la culasse annu-15 laire, elles sont suffisamment éloignées de la partie tournante 12 pour que le couple de démarrage nécessaire après un arrêt ne devienne pas excessif et ne provoque une forte consommation d'énergie de la pile lors de chaque démarrage. La durée de service de la pile est ainsi allongée.

20 La culasse annulaire 13 doit être d'une matière à perméabilité élevée et à faible rémanence.

L'inclinaison des fonds 32, 33, 34 et 35 des rainures longitudinales permet d'utiliser un rotor 19 dont le diamètre est environ 25 20% plus grand que dans un moteur comprenant une bobine ayant à peu près le même diamètre mais dont les enroulements ont une section transversale rectangulaire. Il devient ainsi possible d'obtenir un couple plus élevé, ou une plus grande puissance sur l'arbre du moteur pour la même consommation d'énergie électrique.

Les chambrages 36 et 37 visibles sur les fig. 1 et 6 pour le montage des grandes joues 38 et 39 permettent l'alignement précis et le centrage positif de l'arbre du rotor par rapport à la bobine constituant le support de la partie fixe du moteur. Les joues enferment en même temps la partie tournante entièrement et empêchent que des parties des enroulements fassent saillie dans la cavité dans laquelle tourne le rotor. L'ajustement serré des joues dans les chambrages confère en outre au support de la partie fixe du moteur une rigidité impossible à atteindre par la seule bobine moulée en plastique, ce qui empêche la déformation que pourrait provoquer la pression exercée par les nombreuses spires des enroulements.

Le blocage des deux joues dans leurs chambrages par l'application à chaud d'un bourrelet de matière plastique ou synthétique 45 sur les joues assure un assemblage rigide et indétachable ainsi qu'un positionnement positif définissant de façon définitive le jeu radial et le jeu axial du rotor par rapport à la bobine. Les flasques comprenant les paliers et la bobine deviennent en fait une seule pièce rigide. Les paliers faisant partie de cette pièce unique consti-50 tuant le support de l'ensemble du moteur sont espacés au maximum l'un de l'autre, ce qui permet l'alignement précis et la diminution du débattement radial du bout d'arbre portant le pignon d'attaque. Comme il ressort des dessins, chaque palier agit à la fois radialement et axialement, de sorte qu'il n'est pas nécessaire 55 de prévoir des paliers de butée particuliers. La fig. 3 montre qu'une partie du manchon 58 comprenant le rebord intérieur formant le palier 59 fait axialement saillie d'une des faces radiales du moteur; cette partie de manchon étant parfaitement concentrique à l'arbre et son diamètre extérieur étant compris dans des 60 tolérances serrées, elle permet de monter le moteur avec précision dans le mouvement de montre par le simple emboîtement de cette partie de manchon dans un trou prévu à cet effet dans le mouvement.

Les extrémités 64 et 65 des enroulements sont disposées trans-65 versalement dans les encoches 66 et 67 des extrémités formant cosses à souder 49 et 51 des broches de connexion 52 et 53 et sont soudées à celles-ci. Pendant l'assemblage, les bouts des fils 64 et 65 peuvent être maintenus en place au moyen de gouttelettes de

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colle 77 et 78 qui sont enlevées avec le bout de fil qui y est attaché lorsque les soudures sur les cosses 49 et 51 sont terminées. Le moteur miniature selon l'invention constitue donc une unité complète et indépendante de la montre, pouvant être simplement enfiché dans le circuit imprimé ou d'autres organes de la montre afin d'assurer le fonctionnement de celle-ci.

Claims (2)

3 631 856 REVENDICATION

1. Moteur miniature pour un mouvement d'horlogerie, comprenant un stator non magnétique ayant une cavité centrale de dimensions prédéterminées, une carcasse annulaire de perméabilité élevée et de faible rémanence entourant de façon contigue le stator, des enroulements disposés à l'intérieur du stator pour créer un champ magnétique de direction déterminée quand ils sont excités par les impulsions de courant de commande, un rotor comportant un arbre sur lequel est monté un aimant permanent ayant des pôles nord et sud, ce rotor avançant pas à pas de 1800 à chaque excitation des enroulements et étant disposé à l'intérieur de la cavité centrale, ce moteur étant caractérisé en ce que le stator comporte un corps de bobine en une seule pièce qui présente des rainures longitudinales et transversales recevant les enroulements; en ce que deux disques non magnétiques relativement rigides sont fixés par leur pourtour à la surface interne du stator pour fermer la cavité cylindrique et définir ainsi une chambre et pour rigidifier l'ensemble moteur; en ce que ces disques comportent chacun un support central venu d'une pièce avec le disque et s'étendant perpendiculairement hors du disque du côté opposé à la cavité, ces supports constituant les paliers de l'arbre du rotor; en ce que la carcasse est cylindrique et est fixée au corps de bobine, et en ce que deux pièces polaires de perméabilité élevée et de faible rémanence sont fixées sur la paroi intérieure de la carcasse mais à l'extérieur des enroulements, ces deux pièces étant éloignées du rotor et s'étendant parallèlement à son arbre de sorte qu'elles établissent une polarisation magnétique seulement quand l'un des pôles du rotor vient à proximité, afin d'arrêter le rotor à une position déterminée par rapport à la normale du champ magnétique produit par les enroulements.

2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces polaires sont constituées chacune par une tige de fer doux.