FR2492185A1 - Dispositif electromagnetique a mouvements pas a pas lineaires et rotatifs - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE LINEAIRE ET ROTATIF. CE DISPOSITIF COMPREND UN ELEMENT OU INDUIT MOBILE CYLINDRIQUE 30 POUVANT SE DEPLACER AXIALEMENT ET POUVANT TOURNER AUTOUR DE SON AXE. LA SURFACE DE CET INDUIT 30 PORTE DES DENTS 40 QUI FORMENT DES RANGEES AXIALES ET DES RANGEES CIRCONFERENTIELLES 44. UN STATOR EST CONSTITUE DE PLUSIEURS ELEMENTS 50A, 50B ET 50C QUI PORTENT DES POLES 60 SUR LESQUELS DES ENROULEMENTS 62 SONT BOBINES. L'EXCITATION DE CERTAINS ENROULEMENTS CHOISIS 62 DU STATOR PERMET DE DEPLACER AXIALEMENT L'INDUIT 30 OU DE LE FAIRE TOURNER OU DE LUI FAIRE EXECUTER DES MOUVEMENTS COMBINES LINEAIRES ET ROTATIFS. DOMAINE D'APPLICATION: MOTEURS PAS A PAS LINEAIRES ET ROTATIFS.

Description

1.

L'invention concerne les dispositifs électro-

magnétiques, et plus particulièrement des actionneurs ou moteurs de ce type, pouvant produire des mouvements à la fois linéaires et rotatifs, et plus particulièrement des moteurs pas à pas combinés linéaires et rotatifs. Des moteurs rotatifs pas à pas sont bien connus et utilisés dans divers domaines techniques. La forme courante d'un tel moteur pas à pas fonctionne en exécutant pas séparés, un tel moteur comportant un rotor denté et

un stator dont les pôles sont réalisés d'une manière appro-

priée, en fonction de ce nombre de pas. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 931 929, n0 2 982 872 et n0 3 434 014 décrivent des exemples de moteurs rotatifs pas à pas. Des moteurs à fonctionnement pas à pas sont communément utilisés avec des équipements numériques dans lesquels des impulsions sont appliquées à ces moteurs qui servent d'actionneurs.

On connaît également des actionneurs électro-

magnétiques linéaires comportant des induits qui peuvent se déplacer linéairement et qui portent des dents associées à un stator comprenant des pôles et des enroulements qui peuvent être excités afin que l'élément mobile se déplace dans la direction de sa longueur. Un exemple d'un tel dispositif est

décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 894 275.

-On connaît, dans l'art antérieur, des disposi-

tifs constitués par des moteurs ou des mécanismes de posi-

tionnement rotatifs et linéaires combinés. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 394 295, n0 3 430 120, n0 3 441 819, n0 3 745 433, n0 3 851 196 et n0 3 889 165 décrivent des exemples de tels dispositifs. Le brevet n0 3 889 165 précité décrit un dispositif qui utilise un élément cylindrique mobile comportant des dents intérieures et extérieures, associées à des stators qui comprennent des enroulements disposés de manière à engendrer des mouvements à

la fois linéaires et rotatifs.

Tous les dispositifs de l'art antérieur manquent d'efficacité intrinsèque, de possibilités, de simplicité et

de petitesse, de par leur conception, pour produire des mou-

2. vements linéaires et rotatifs efficaces. L'invention

concerne un dispositif linéaire et rotatif perfectionné.

L'invention concerne donc un dispositif linéaire et rotatif qui comprend un premier élément ayant un axe mobile et monté de manière à pouvoir se déplacer angulai- rement autour de cet axe, ainsi qu'axialement, la surface de cet élément comportant des organes qui constituent des dents espacées angulairement, ces derniers organes étant réalisés de manière à former des dents espacées axialement ainsi que des dents espacées angulairement sur la surface dudit élément. Un stator comporte des pôles et des enroulements et présente une ouverture centrale circulaire dans laquelle l'élément mobile est disposé de manière que les dents de cet élément mobile puissent se déplacer à proximité des pôles du stator, ce dernier comprenant également des pôles et des enroulements qui sont espacés axialement. Le stator est réalisé de manière que l'excitation de certains enroulements espacés axialement provoquent un déplacement axial de l'élément mobile, ce dernier pouvant être également mis en rotation autour de son axe par excitation d'enroulements du stator décalés d'un certain angle les uns par rapport aux autres. Une forme préférée de réalisation de l'invention

est constituée par un moteur pas à pas linéaire et rotatif.

Ce moteur comporte un induit cylindrique allongé et mobile, monté de manière à pouvoir exécuter des mouvements axiaux et angulaires. Cet induit présente, à sa surface, des dents qui sont disposées en rangées axiales et en rangées alignées circonférentiellement. Un stator se présente de préférence sous la forme de plusieurs éléments feuilletés comportant des pâles radiaux auxquels des enroulements sont associés. Cette forme de réalisation comporte des pôles espacés à la fois angulairement et axialement, la relation entre le nombre de pôles du stator et le nombre de pâles de l'élément mobile

étant prédéterminée, comme décrit plus en détail ci-après.

La disposition des enroulements ou bobinages du stator est telle que des enroulements espacés axialement peuvent être excités afin de provoquer un déplacement axial 3. de l'élément ou induit mobile vers une position de réluctance

minimale entre ses dents et les pôles du stator. La disposi-

tion des enroulements par rapport aux dents de l'élément mobile est en outre telle que des enroulements espacés angulairement peuvent être excités afin de faire tourner l'élément mobile autour de son axe. Ce dispositif peut exécuter un mouvement simultanément axial et angulaire ou

mouvement dit de "plongée".

L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme préférée de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective montrant le stator et l'armature ou élément mobile du dispositif représenté sur la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 1; et

- la figure 4 est une vue en bout montrant sché-

matiquement le connexion du dispositif selon l'invention à un calculateur. Le dispositif selon l'invention, représenté sur

les diverses figures, comprend un bottier ou corps cylin-

drique 10 renfermant Jes divers éléments de ce dispositif.

Comme représenté, le corps cylindrique est réalisé d'une seule pièce avec une partie extrême 12 qui présente un alésage axial 14. Un élément 16 d'extrémité, logé dans l'autre extrémité du corps, présente une surface cylindrique dont un bord est chanfreiné en 17, la partie extrême du corps

10 étant sertie sur ce chanfrein, comme montré en 18.

L'élément extrême 16 présente un alésage axial 24 et le corps

présente lui-même un alésage 26.

Un élément ou induit mobile 30 en matière magnétique est monté coaxialement dans le corps l0. Cet élément 30 est monté dans des paliers linéaires 32 et 34 positionnés dans les alésages 14 et 24. Les surfaces lisses de l'élément mobile 30 s'ajustent à l'intérieur des paliers afin que l'élément 30 puisse se déplacer librement dans la

direction axiale et angulairement.

4. La surface de l'élément 30 présente des dents qui sont disposées ou alignées angulairement, comme indiqué en 40 sur la figure 3. Six dents espacées angulairement sont représentées, bien que ce nombre puisse varier en fonction des connaissances de l'art antérieur en ce qui concerne des

types connus de moteur pas à pas.

Le dispositif comporte plusieurs rangées de

dents espacées angulairement et disposées circonféren-

tiellement, comme montré sur les figures 1 et 2. Les rangées circonférentielles sont espacées régulièrement les unes des autres dans la direction axiale afin de constituer également des rangées axiales de dents, l'une de ces rangées étant

indiquée en 44 sur la figure 2.

Les figures représentent également un ensemble à stator comportant des enroulements ou bobinages. Dans la forme de réalisation décrite à titre d'exemple, cet ensemble à stator comprend plusieurs noyaux feuilletés de stator, indiqués en 50a, 50b et 50c. Chaque noyau de stator est réalisé en matière magnétique feuilletée. Les noyaux de stator sont espacés axialement, comme montré sur la figure 1, des entretoises cylindriques 52 et 54 étant placées entre

eux, comme montré sur la figure 1.

La figure 3 représente plus en détail la configu-

ration de l'élément 50a de stator. Cet élément comporte une partie annulaire 58 portant huit pôles 60 orientés radialement. Un enroulement de stator 62 est bobiné sur chaque pôle. Bien que la forme de réalisation décrite à titre d'exemple comporte un nombre prédéterminé de pôles de stator et un nombre prédéterminé de dents espacées angulairement sur l'élément ou induit mobile, il est évidemment possible

d'utiliser des nombres différents et des relations diffé-

rentes entre les nombres des pôles de stator et de dents de l'élément mobile. Dans la mesure ou l'élément mobile peut se déplacer angulairement, il peut évidemment être désigné par le terme "rotor". Les nombres relatifs de pôles du stator et de dents du rotor pour produire un mouvement angulaire peuvent être déterminés à partir des connaissances de l'art antérieur. De même, l'espacement axial des dents ou des 5. rangées de dents, dans la direction circonférentielle, peut varier considérablement. Les- extrémités intérieures des pôles du stator-forment une ouverture dans laquelle l'élément

ou induit mobile peut se déplacer angulairement et axiale-

ment, comme montré sur les figures. Les surfaces périphéri- ques des dents de l'élément mobile 30 se déplacent à proximité des extrémités intérieures des pôles des éléments

du stator.

Comme indiqué précédemment, l'élément mobile est monté dans des paliers linéaires de manière à pouvoir

exécuter des mouvements axiaux et angulaires.

Le fonctionnement du dispositif selon l'inven-

tion sera tout d'abord décrit pour l'exécution de mouvements linéaires. Comme représenté sur la figure 1, une rangée circonférentielle de dents de l'élément 30 est alignée avec les extrémités des pôles d'un élément de stator, à savoir

l'élément 50b, en une seule position, les rangées circonfé-

rentielles de dents de toutes les autres positions n'étant pas alignées avec les extrémités intérieures des pôles des éléments du stator. Le déplacement des dents mal alignées

correspond à l'amplitude d'un pas de mouvement. Les enroule-

ments opposés sont montés en série dans un circuit séparé correspondant à une phase. Le principe du fonctionnement repose sur les positions relatives de l'élément mobile et deE pôles du stator. Ainsi, comme on peut le voir, si certains ou la totalité des enroulements associés au noyau 50a du stator sont excités, l'élément 30 se déplace vers la gauche jusqu'à une position de réluctance minimale dans laquelle un anneau de dents espacées angulairement sur l'élément 30 est aligné avec les extrémités intérieures des pôles de l'élément 50a du stator. D'une manière analogue, l'élément 30 peut être déplacé linéairement dans l'autre sens, c'est-à-dire vers la droite. On peut voir que le dispositif est conçu pour se déplacer d'une manière discontinue, c'est-à-dire par pas, sous l'effet de l'application d'impulsions électriques à des enroulements particuliers du stator. Ainsi, le dispositif peut être adapté à des systèmes numériques aussi bien en ce qui concerne la réception de signaux numériques d'entrée que

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6. la production de signaux numériques de sortie. En pratique, les enroulements peuvent être commandés par un calculateur qui peut choisir les enroulements à exciter afin de réaliser les mouvements souhaités qui comprennent des mouvements combinés angulaires et linéaires. En ce qui concerne les mouvements angulaires de

l'élément mobile 30, on peut se reporter aux figures 2 et 3.

Le dispositif exécute des mouvements angulaires en utilisant également le principe de la réluctance minimale. Lorsque le dispositif occupe la position montrée sur la figure 3, on peut observer que des rangées axiales de dents situées sur des côtés opposés de l'élément 30 sont alignées avec des pôles du stator. Pour produire un mouvement angulaire, des enroulements de stator, associés à des pôles situés sur des côtés opposés du rotor 30, sont excités. Par exemple, dans le cas de la figure 3, les enroulements associés-aux pôles 60 et ' peuvent être excités afin de faire tourner le rotor 30 dans le sens des aiguilles d'une montre pour amener les dents de cet élément 30 en alignement avec les pôles 60 et 60'. Ce mouvement est discontinu. Il est possible de n'exciter ainsi des enroulements que de l'un des éléments 50 du stator, bien que des enroulements correspondants de plusieurs éléments de stator puissent être excités en même temps pour produire le mouvement angulaire pas à-pas. L'élément 30 se déplace vers

la position de réluctance minimale.

Le mouvement angulaire et le mouvement axial de l'élément 30-peuvent être produits simultanément, ce type de

mouvement étant connu sous le nom de "action de plongée".

Divers types de circuits de commande peuvent être utilisés, y compris des circuits déjà connus. Un circuit destiné à ne commander que des mouvements angulaires applique des impulsions à des enroulements prédéterminés du stator, comme décrit précédemment, l'application de ces impulsions

s'effectuant généralement de manière à produire des mouve-

ments angulaires pas à pas. Un mouvement axial peut être obtenu au moyen de circuits de commande du type conçu pour appliquer des impulsions ou autres à des enroulements espacés

axialement, comme indiqué précédemment.

7.

Pour produire un mouvement combiné axial et angu-

laire, par exemple, des enroulements diamétralement opposés et associés à l'élément 50a de stator peuvent être excités de manière que l'élément 30 prenne une position de réluctance minimale dans les directions axiale et angulaire. Ainsi, l'élément 30 s'aligne avec des pÈles excités en se déplaçant angulairement ainsi qu'axialement vers la position de réluctance minimale. Des mouvements axiaux de sens opposés peuvent être obtenus par excitation des enroulements de l'élément 50c du stator. Il est évidemment possible d'utiliser tout nombre quelconque d'éléments de stator et d'enroulements associés. Des mouvements angulaires sont obtenus par l'excitation d'enroulements choisis d'un ou plusieurs éléments de stator choisis. Des mouvements axiaux sont obtenus par l'excitation d'enroulements de l'élément de

stator approprié et des mouvements combinés axiaux et angu-

laires sont obtenus par sélection d'enroulements tels que décrits pour la production des mouvements angulaires et des

mouvements axiaux.

Un calculateur peut sélectionner, comme décrit précédemment, certaines des quinze bornes indiquées à titre d'exemple sur la figure 4 afin que l'élément mobile puisse être placé dans une position prédéterminée et souhaitée au moyen de mouvements axiaux, de mouvements angulaires ou de

mouvements combinés.

Une caractéristique importante de l'invention est qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des interrupteurs de fin de course avec l'élément mobile 30. A titre d'exemple, lorsque l'élément 30 s'est déplacé à une position dans laquelle il présente une surface lisse aux extrémités des pôles de l'élément 50a de stator, cet élément de stator ne peut déplacer davantage l'élément 30. Cette caractéristique permet également de déterminer ou de localiser la position de l'élément mobile 30 lorsque la commande est réalisée par un calculateur et dans le cas o la mémoire de ce dernier est défaillante. La position de l'élément mobile 30 peut être déterminée de la manière suivante indiquée à titre d'exemple, c'est-àdire par application d'impulsions jusqu'à ce que cet élément atteigne une position dans laquelle il ne peut plus se déplacer sous l'action de l'élément 50a de stator. Dans la position indiquée schématiquement, deux pas supplémentaires de mouvements sont possibles sous la commande des éléments 50b et 50c de stator.

La description précédente permet à l'homme de

l'art de comprendre la nature et la conception du dispositif selon l'invention et son mode opératoire pour atteindre les objectifs cités précédemment. Il existe un effet de synergie dans le fonctionnement du dispositif, car les mouvements de l'élément mobile peuvent être obtenus sans que d'autres pièces séparées puissent effectuer de tels mouvements. Les mouvements combinés linéaires et rotatifs diffèrent des mouvements linéaires ou des mouvements rotatifs proprement dits et ils permettent une fonction qui peut être aisément

commandée par un calculateur, ce qui est autrement impossi-

ble. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, les

nombres de dents disposées circonférentiellement et axiale-

ment, les nombres relatifs de pôles des éléments de stator, le positionnement relatif des éléments de stator, etc.

peuvent varier.

9.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif linéaire et rotatif, caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément (30) ayant un axe, pouvant se déplacer et monté de manière à pouvoir se déplacer angulairement autour de son axe et à pouvoir également se déplacer axialement, cet élément portant, sur sa surface, plusieurs dents (40) espacées angulairement et réalisées de manière que ladite surface de l'élément présente des dents

espacées axialement ainsi que des dents espacées angulaire-

ment, un stator (50a, 50b, 50c) comportant des pôles (60) et des enroulements (62) et présentant une ouverture centrale circulaire dans laquelle l'élément mobile est disposé de manière que les dents de cet élément puissent se déplacer à proximité des pôles du stator, ce dernier comprenant des pôles et des enroulements qui sont espacés axialement et

étant réalisé de manière que l'excitation de certains enrou-

lements espacés axialement provoque un mouvement axial de l'élément mobile, et que ce dernier puisse être mis en rotation autour de son axe par l'excitation d'enroulements du

stator décalés angulairement entre eux.

2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que la possibilité de communiquer simultanément un mouvement axial et un mouvement angulaire à l'élément mobile (30) est obtenue par excitation de certains enroulements (60)

espacés axialement et par l'excitation de certains enroule-

ments (60) espacés angulairement.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et

2, caractérisé en ce que les angles de l'élément mobile sont disposés en rangées qui comprennent les rangées axiales (44) et des rangées circonférentielles dans lesquelles les dents

sont espacées angulairement.

4. Dispositif selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 3, caractérisé en ce que le stator comporte des pôles espacés axialement et auxquels des enroulements (62)

sont associés.

5. Dispositif selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 4, caractérisé en ce que le nombre de pôles

(60) de stator espacés angulairement est en relation prédé-

10.

terminée avec le nombre de dents (40), espacées angulaire-

ment, de l'élément mobile (30)., dans toute position donnée

sur ce dernier.