WO1985000707A1 - Moteur monophase a rotor aimante presentant n/2 paires de poles par face - Google Patents

Moteur monophase a rotor aimante presentant n/2 paires de poles par face Download PDF

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WO1985000707A1
WO1985000707A1 PCT/CH1984/000113 CH8400113W WO8500707A1 WO 1985000707 A1 WO1985000707 A1 WO 1985000707A1 CH 8400113 W CH8400113 W CH 8400113W WO 8500707 A1 WO8500707 A1 WO 8500707A1
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poles
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stator
torque
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    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C13/00—Driving mechanisms for clocks by master-clocks
    • G04C13/08—Slave-clocks actuated intermittently
    • G04C13/10—Slave-clocks actuated intermittently by electromechanical step advancing mechanisms
    • G04C13/11—Slave-clocks actuated intermittently by electromechanical step advancing mechanisms with rotating armature
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
    • H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K37/125—Magnet axially facing armature

Definitions

  • This invention relates to the single-phase motor with magnetic rotor, having on each of its two faces N / 2 pairs of poles.
  • a first type is that for which the rotor has N pairs of poles, the pairs in question can be defined by magnetization axes which are parallel to the axis of rotation of the rotor, so that the rotor has N poles on each of its two faces.
  • a second type is that for which the rotor has on each of its two faces N / 2 pairs of poles, the pairs in question being defined by magnetization curves which are contained in planes parallel to the axis of rotation of the rotor, so that the rotor has N poles on each of its two faces.
  • the engine of the present invention essentially relates to this second type.
  • the object of the invention is to design an electric motor of optimum efficiency in a given space, using existing materials and which can be manufactured by industrial processes.
  • Another object of the invention is the design of an engine whose range of powers can be very wide, without modification of the engine design.
  • Another object of the present invention is the design of a motor whose number of steps per revolution can be very large, without modifying the design of the motor.
  • the field of application of the engine of the present invention is therefore very wide.
  • medical instrumentation including systems that can be implemented in the human body, training systems for the aeronautical and space industry, office automation, robotics, photographic equipment, timepieces, etc.
  • the motor according to the present invention operating in stepping mode is suitable for all systems using digital technology, and more particularly for all those where the criteria of space, efficiency and power are decisive.
  • the subject of the invention is a single-phase motor which is characterized by the structure described in claim 1, which has variants described in claims 2 to 8, which can be adapted to the operating modes mentioned in claims 9 to 11 , using the means mentioned in claims 12 to 15 or 16 to 19, and which can be mounted in the manner indicated in claim 20.
  • Fig. 1 shows a simplified top view of the engine according to the invention.
  • Fig. 2 shows a simplified exploded view of the engine, illustrating its structure.
  • Fig. 3 shows a simplified side section of the engine, illustrating the principle of positioning the engine.
  • Fig. 4 shows a simplified section of the engine, illustrating] e rotor mounting principle.
  • Fig. 5 shows a perspective view of the rotor of the motor according to the invention.
  • Fig. 6 shows a perspective view of a variant of the motor rotor according to the invention.
  • Fig. 7 represents the asymmetry of a pole of a pole piece.
  • Fig. 8 shows the soft, fixed ferromagnetic disc, with hollowed out portions
  • Fig. 9 is a linear sequence of the engine, illustrating its operating principle.
  • Figs. 10a, 10b and 10c represent the shape of the pairs, of po ⁇ sitioning and mutual, as well as the voltage pulses to be applied to the coil, when the motor is adapted to the bipolar step mode of operation.
  • Figs. 11a and 11b represent the shape of the torques, of position and mutual, as well as the voltage pulses to be applied to the coil, when the motor is adapted to the unipolar step mode of operation.
  • This figure is a simplified exploded top view of the engine, which illustrates the structure of the engine.
  • the rotor 1 is made of ferromagnetic material with a high coercive field and a low density, such as samarium-cobalt. It has on each of its two faces N / 2 pairs of poles. For each side, the poles are alternately of opposite sign and spaced by an equal angular interval. In addition, the poles on one side are directly opposite those on the other side and of the same sign. This is illustrated in Fig. 5.
  • FIG. 6 A variant relating to the rotor is illustrated in FIG. 6.
  • the rotor is formed in two parts separated by a disc 1b of soft ferro ⁇ magnetic material. Each part has N axes of magnetization of alternately opposite directions. These axes are parallel to the axis of rotation of the rotor and are separated by an equal angular interval.
  • the poles of the external face of one of the parts of the rotor are directly opposite those of the external face of the other part of the rotor and of the same sign.
  • the rotor is arranged between two stators, one, lower, of index a, the other, upper, of index b.
  • Each stator is made up of two overlapping coplanar pole pieces, one inside, the other outside, designated below: 2a for the inside pole piece of the lower stator a; 3a for the outer pole piece of the lower stator a; 2b for the inner pole piece of the upper stator b, and 3b for the outer pole piece of the upper stator b.
  • the pole pieces are made of ferromagnetic material with a low coercive field and high saturation induction.
  • each stator The two pole pieces of each stator are coplanar and separated by a sinuous air gap 4.
  • Each pole piece consists of N / 2 poles 5, spaced at an angular interval twice that existing between the poles of each face of the rotor.
  • the core 6 is made of ferromagnetic material with a low coercive field and with high saturation induction.
  • a coil 7 is wound around the core.
  • the assembly is mounted, by way of example, in the manner illustrated in FIG. 3 and described below.
  • the lower stator is placed on a piece of non-ferromagnetic material 8.
  • the pole pieces 2a, 2b, 3a and 3b are positioned by four screw feet 9, 9e.
  • the two screw feet 9e have a shoulder 10 on which the pole pieces of the upper stator bear.
  • the screw feet may or may not be made of ferromagnetic material.
  • Two spacers 11, made of soft ferromagnetic material, are interposed in the space between each of the ends of the core and each pole piece of the upper stator.
  • the mounting device described above ensures, by the screw-feet, the correct positioning in their planes of the pole pieces, and by the shoulders and the spacers, the correct positioning in height of the pole pieces.
  • the rotor is mounted as illustrated in FIG. 4.
  • the rotor pivots in bearings 12 with low contact friction.
  • the material used for the bearings is, for example, ruby.
  • a pinion 13 is integral with the axis of rotation la of the rotor and makes it possible to transmit the rotational movement of the rotor to the entire gear train 14.
  • the poles of the pole pieces can also be made asymmetric with respect to the radial axes defining the angular interval between the poles.
  • An example is given in FIG. 7. This design allows, as we will see later, to create a phase shift between the positioning torque and the mutual torque, thus allowing the motor to self-start.
  • the magnetic connections are shown symbolically by simple lines.
  • the ends A and B of the core 6 have also been indicated.
  • the coil 7 is wound around the core 6.
  • the positioning torque that is to say that due to the magnetic rotor, in the absence of current in the coil
  • the motor therefore has an inversion of the flow of the rotor in the core on an angle of rotation of the rotor equal to 2 ⁇ r / N.
  • the coil wound on the core it follows, according to the laws of electromechanical, an interaction torque between the coil and the rotor ai ⁇ mantle, torque called mutual torque below, period 4 ⁇ r / N and whose equilibrium positions correspond to the rotor positions, for which the pairs of rotor poles are directly opposite the poles of the pole pieces of the stators.
  • the permeance of the coil is limited by the sinuous air gap existing between the coplanar pole pieces of each stator.
  • the motor In the absence of current, the motor has a torque due to the magnetized ro ⁇ tor, a torque referred to below as positioning torque.
  • positioning torque In the position of the rotor shown in FIG. 9, the permeance seen by the fluxes coming from the pairs of poles of the rotor is maximum. In this position, in accordance with the laws of electromechanics, the magnetic energy being negative, it is minimal and corresponds to a position of stable equilibrium.
  • the motor therefore has a positioning torque of 2 ⁇ r / N period.
  • the paces of the positioning pairs Ma and mutual Mab are given in FIG. 10a as a function of the angle of rotation of the rotor.
  • the phase shift ⁇ can be created, for example, thanks to the easy ⁇ metry of the poles of the pole pieces.
  • An exemplary embodiment is given in FIG. 7.
  • the asymmetry of the poles of the pole pieces modifies the position of the rotor for which the permeance seen by the fluxes of the pairs of poles of the rotor is maximum, and therefore the position of stable equilibrium. This results in the announced angular offset between the mutual couple and. the positioning torque, as shown in FIG. 10b. as a function of the angle of rotation ⁇ of the rotor.
  • the poles of the pole pieces are dimensioned so that the positioning torque introduced by these poles is negligible with respect to the mutual torque. This can be done in particular by reducing the sinuous air gap between the coplanar pole pieces of the stators.
  • the positioning torque, as well as the phase shift, are created by an auxiliary system so that the positioning torque has a period of 4 ⁇ r / N, that is to say the same period as that of the mutual torque.
  • the way in which such an auxiliary system can be designed is known and is not explained.
  • the paces of the positioning pairs Ma and mutual Mab are given for this second variant in FIG. 11a, analogous to FIG. 10b.
  • auxiliary system in the case of the bipolar stepper motor.
  • the auxiliary system is then designed to give a positioning torque of period 2 ⁇ r / N.
  • the positioning torque is made negligible vis-à-vis the mutual torque. It is however advantageous to allow a slight positioning torque and a phase shift to remain. between this positioning torque and the mutual torque, with the aim of ensuring the auto-starting of the engine.
  • this disc is, for example, as illustrated in FIG. 8. It has N recessed parts 15, placed at equal distance from the axis of rotation of the rotor and spaced by an equal angular interval. It is arranged in such a case that the positioning torque introduced by the poles of the pole pieces of the stator is low compared to the positioning torque introduced by the ferromagnetic disc.
  • the recessed parts of the fixed soft ferromagnetic disc are offset with respect to the radial sections of the sinuous air gap, as defined by claim 16, so as to create a phase shift between the mutual torque and the positioning torque.
  • the recessed parts of the fixed soft ferromagnetic disc can be placed symmetrically with respect to the radial sections of the winding air gap, as defined by claim 18.
  • the explanations provided can easily be transposed to the case where a positioning torque of period 4 ⁇ r / N is desired.
  • the fixed soft feragnagnetic disc then has N / 2 hollowed out parts.
  • the flux of each pair of rotor poles is maximized by the fact that the flux is picked up and closes by the poles of the pole pieces which are directly opposite of the poles of each of the pairs.
  • the engine according to the invention has the further aim of presenting a range of powers which can be very wide, without modification of the design of the engine.

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Abstract

La structure du moteur est la suivante: un rotor (1) présente sur chacune de ses deux faces N/2 paires de pôles alternativement de signes opposés; les pôles d'une face sont directement en regard de ceux de l'autre face et de même signe; deux stators, l'un, supérieur (b), et l'autre, inférieur (a); chaque stator est constitué de deux pièces polaires coplanaires, imbriquées l'une (2b, 2a) dans l'autre (3b, 3a) et séparées par un entrefer sinueux (4); chaque pièce polaire a N/2 pôles espacés d'un intervalle angulaire double de celui existant entre les pôles de chaque face du rotor; la liaison magnétique entre les stators, se fait par le noyau (6) d'une bobine (7). Cette structure assure un rendement optimum. Le mode de fonctionnement du moteur peut être adapté aux modes pas à pas, bipolaire ou unipolaire, ou continu synchrone.

Description

MOTEUR MONOPHASE A ROTOR AIMANTE PRESENTANT N/2 PAIRES DE POLES PAR FACE
Cette invention se rapporte au moteur monophasé à rotor aimanté, présentant sur chacune de ses deux faces N/2 paires de pôles .
Suivant l'aimantation du rotor, il est possible de définir plusieurs types de moteurs.
Un premier type est celui pour lequel le rotor présente N paires de pôles , les paires en question pouvant être définies par des axes de magnétisation qui sont parallèles à l'axe de rotation du rotor, de telle sorte que le rotor présente N pôles sur chacune de ses deux faces.
Un deuxième type est celui pour lequel le rotor présente sur cha¬ cune de ses deux faces N/2 paires de pôles, les paires en question pou¬ vant être définies par des courbes de magnétisation qui sont contenues dans des plans parallèles à l'axe de rotation du rotor, de façon que le rotor présente N pôles sur chacune de ses deux faces .
Le moteur de la présente invention se rapporte essentiellement à ce deuxième type.
L'invention a pour but la conception d'un moteur électrique de rendement optimum dans un encombrement donné , utilisant des matériaux existants et fabricable par des procédés industriels.
Un autre but de l'invention est la conception d'un moteur dont la gamme des puissances puisse être très étendue, sans modification de la conception du moteur.
Un autre but de la présente invention est la conception d'un mo- teur dont le nombre de pas par tour puisse être très étendu, sans modi¬ fication de la conception du moteur.
Le domaine d'application du moteur de la présente invention est donc très vaste.
On peut mentionner: l'instrumentation médicale, y compris les systèmes implémentables dans le corps humain, les systèmes d'entraînement pour l'industrie aéronautique et spatiale, la bureautique, la robotique, l'appareillage photographique, les garde-temps, etc.
Plus généralement, le moteur selon la présente invention fonction¬ nant en mode pas à pas est adapté à tous les systèmes utilisant la tech¬ nique digitale, et plus particulièrement à tous ceux où les critères d'en- combrement, de rendement et de puissance sont déterminants.
L'invention a pour objet un moteur monophasé qui se caractérise par la structure décrite dans la revendication 1, qui présente des va¬ riantes décrites dans les revendications 2 à 8 , qui peut être adapté aux modes de fonctionnement mentionnés dans les revendications 9 à 11, en mettant en oeuvre les moyens mentionnés dans les revendications 12 à 15 ou encore 16 à 19, et qui peut être monté de la façon indiquée dans la revendication 20.
La Fig. 1 représente une vue de dessus simplifiée du moteur se¬ lon l'invention.
La Fig. 2 représente une vue éclatée simplifiée du moteur, illus¬ trant sa structure.
La Fig. 3 représente une coupe latérale simplifiée du moteur, il¬ lustrant le principe de positionnement du moteur.
La Fig. 4 représente une coupe simplifiée du moteur, illustrant ]e principe de montage du rotor.
La Fig. 5 représente une vue en perpective du rotor du moteur selon l'invention.
La Fig. 6 représente une vue en perspective d'une variante du rotor du moteur selon l'invention.
La Fig. 7 représente l'asymétrie d'un pôle d'une pièce polaire.
La Fig. 8 représente le disque ferromagnétique doux, fixe, à par¬ ties évidées
La Fig. 9 est un déroulement linéaire du moteur, illustrant son principe de fonctionnement.
Les Fig. 10a, 10b et 10c représentent l'allure des couples, de po¬ sitionnement et mutuel, ainsi que les impulsions de tension à appliquer à la bobine, lorsque le moteur est adapté au mode de fonctionnement pas à pas bipolaire.
Les Fig. lia et 11b représentent l'allure des couples, de position¬ nement et mutuel, ainsi que les impulsions de tension à appliquer à la bobine, lorsque le moteur est adapté au mode de fonctionnement pas à pas unipolaire.
Les dessins représentent à titre d'exemple le moteur selon l'inven¬ tion avec un nombre de paires de pôles par face du rotor égal à 8 (N = 8) .
Pour la compréhension de la structure du moteur selon l'inven¬ tion, on se reportera avec profit tout particulièrement à la Fig . 2.
Cette figure est une vue éclatée simplifiée de dessus du moteur, qui illustre bien la structure du moteur.
Le rotor 1 est en matériau ferromagnétique à champ coercitif élevé et à masse volumique faible, tel que samarium-cobalt. Il présente sur chacune de ses deux faces N/2 paires de pôles . Pour chaque face, les pôles sont alternativement de signe opposé et espacés par un intervalle angulaire égal. En outre, les pôles d'une face sont directement en regard de ceux de l'autre face et de même signe. Cela est illustré par la Fig . 5.
Une variante relative au rotor est illustrée par la Fig . 6. Le rotor est formé en deux parties séparées par un disque 1b en matériau ferro¬ magnétique doux. Chaque partie présente N axes- de magnétisation de di¬ rections alternativement opposées. Ces axes sont parallèles à l'axe de ro¬ tation du rotor et sont séparés par un intervalle angulaire égal. Les pô- les de la face externe d'une des parties du rotor sont directement en re¬ gard de ceux de la face externe de l'autre partie du rotor et de même signe.
Le rotor est disposé entre deux stators , l'un, inférieur, d'indice a, l'autre, supérieur, d'indice b .
Chaque stator est constitué de deux pièces polaires coplanaires, imbriquées, l'une, intérieure, dans l'autre, extérieure, désignées ci-ap¬ rès: 2a pour la pièce polaire intérieure du stator inférieur a; 3a pour la pièce polaire extérieure du stator inférieur a; 2b pour la pièce polaire intérieure du stator supérieur b, et 3b pour la pièce polaire extérieure du stator supérieur b.
Les pièces polaires sont en matériau ferromagnétique à faible champ coercitif et à induction de saturation élevée.
Les deux pièces polaires de chaque stator sont coplanaires et sé¬ parées par un entrefer sinueux 4.
Chaque pièce polaire est constituée de N/2 pôles 5 , espacés d'un intervalle angulaire double de celui existant entre les pôles de chaque face du rotor.
Le noyau 6 est en matériau ferromagnétique à faible champ coerci¬ tif et à induction de saturation élevée.
Une bobine 7 est enroulée autour du noyau. L'ensemble est monté, à titre d'exemple, de la - façon illustrée par la Fig. 3 et décrite ci-après .
Le stator inférieur est posé sur une pièce en matériau non ferro- magnétique 8. Les pièces polaires 2a, 2b , 3a et 3b sont positionnées par quatre pieds-vis 9 , 9e. Les deux pieds-vis 9e présentent un épaulement 10 sur lequel appuient les pièces polaires du stator supérieur. Les pieds-vis peuvent être en matériau ferromagnétique doux ou non . Deux entretoises 11, en matériau ferromagnétique doux, sont intercalées dans l'espace compris entre chacune des extrémités du noyau et chaque pièce polaire du stator supérieur.
Le dispositif de montage décrit ci-dessus assure, par les pieds- vis, le positionnement correct dans leurs plans des pièces polaires , et par les épaulements et les entretoises , le positionnement correct en hau¬ teur des pièces polaires .
Le rotor est monté de la façon illustrée par la Fig. 4.
Le rotor pivote dans des paliers 12 à faible frottement de contact.
Le matériau utilisé pour les paliers est, par exemple, le rubis.
Un pignon 13 est solidaire de l'axe de rotation la du rotor et permet de transmettre le mouvement de rotation du rotor à tout le train d'engrenage 14.
Les pôles des pièces polaires peuvent en outre être rendus asy¬ métriques par rapport aux axes radiaux définissant l'intervalle angulaire entre les pôles . Un exemple est donné à la Fig . 7. Cette conception per- met, comme nous le verrons plus loin, de créer un déphasage entre le couple de positionnement et le couple mutuel, permettant ainsi l' autodé¬ marrage du moteur.
Il est également possible de conserver les pôles des pièces polai- res symétriques et de créer le couple de positionnement et le déphasage par un système auxiliaire. De tels systèmes, qui nécessitent l'utilisation d'un aimant auxiliaire, sont connus et ne sont pas décrits ici.
Il est encore possible, dans le cas des variantes définies par les
C ? revendications 6 et 7, de créer le couple de positionnement et le dépha¬ sage à l'aide d'un disque ferromagnétique doux fixe, présentant des par¬ ties évidées, judicieusement disposées. Un exemple est donné à la Fig. 8.
Pour la compréhension du fonctionnement du moteur selon l'inven¬ tion, on se reportera avec profit à la Fig. 9.
Cette figure est un développement linéaire du moteur. Il s'agit donc d'une coupe schématisée du moteur que l'on aurait préalablement déroulé linéairement.
On reconnaît le rotor 1 , où l'on a schématiquement représenté les courbes de magnétisation du rotor en traits interrompus.
On reconnaît également les pôles 5 des pièces polaires séparées par l'entrefer 4. Les liaisons magnétiques sont schématisées symbolique¬ ment par de simples lignes. On a également indiqué les extrémités A et B du noyau 6. La bobine 7 est enroulée autour du noyau 6.
Pour faciliter la compréhension du fonctionnement, on expose d'a¬ bord la façon dont sont créées les caractéristiques. Ensuite, on expose le comportement du moteur suivant le mode d'alimentation.
Les caractéristiques suivantes sont successivement envisagées:
- le couple mutuel, provenant de l'interaction entre le flux du rotor ai¬ manté et le flux de la bobine, couple mutuel dont la réalisation fait l'objet principal de la présente invention;
- la perméance de la bobine; - le couple de positionnement, c'est-à-dire celui dû au rotor aimanté, en l'absence de courant dans la bobine, et
- le déphasage introduit entre le couple mutuel et le couple de position¬ nement.
Pour ces deux dernières caractéristiques , on examinera différen¬ tes versions, selon le mode d'alimentation.
Venons -en au couple mutuel. Dans la position du rotor dessinée sur la Fig . 9 , les paires de pôles lp du rotor sont directement opposées aux pôles 5 des pièces po¬ laires des stators, inférieur et supérieur.
Considérons le chemin parcouru par les flux issus des paires de pôles de la face inférieure du rotor, qui sont dirigés de haut en bas.
Ces flux sont recueillis par la pièce polaire inférieure 2a et sont acheminés par le circuit magnétique à l'extrémité A du noyau. Au point A, le flux se dirige ensuite en grande partie dans le noyau 6 , dans le sens allant de A à l'autre extrémité B du noyau. Arrivé à l'extrémité B , le flux se referme ensuite par les pôles du stator inférieur 3a.
Toujours dans la même position du rotor, considérons le chemin parcouru par les flux issus des paires de pôles de la face supérieure du rotor, qui sont dirigés de bas en haut.
Ces flux sont recueillis par la pièce polaire supérieure 2b et sont acheminés par le circuit magnétique à l'extrémité A du noyau. Au point A, le flux se dirige ensuite en grande partie dans le noyau 6, dans le sens allant de A à l'autre extrémité B du noyau, c'est-à-dire dans le mê¬ me sens que celui valable pour les paires de pôles de la face opposée du rotor .
Le fait que les flux de toutes les paires de pôles des deux faces du rotor s'ajoutent dans le noyau provient, dans la situation décrite , de ce que les deux pièces polaires intérieures 2a et 2b sont reliées magnéti¬ quement à l'extrémité A du noyau, dont l'autre extrémité B est reliée magnétiquement aux deux pièces polaires extérieures 3a et 3b .
On voit ainsi que dans la position du rotor dessinée sur la Fig . 9 , le flux parcourant le noyau est maximum.
Pour la position du rotor décalée d'un angle valant 2τr/N par rap- port à la précédente , il est facile de voir que le flux parcourant le no¬ yau est aussi maximum, mais de sens opposé à celui existant pour la po¬ sition précédente du rotor.
Le moteur présente donc une inversion du flux du rotor dans le noyau sur un angle de rotation du rotor valant 2τr/N. Lorsque la bobine enroulée sur le noyau est alimentée, il en résulte, selon les lois de l'é¬ lectromécanique, un couple d'interaction entre la bobine et le rotor ai¬ manté, couple appelé plus loin couple mutuel, de période 4τr/N et dont les positions d'équilibre correspondent aux positions du rotor, pour les¬ quelles les paires de pôles du rotor sont directement opposées aux pôles des pièces polaires des stators .
Venons-en à la perméance de la bobine.
La perméance de la bobine est limitée par l'entrefer sinueux exis¬ tant entre les pièces polaires coplanaires de chaque stator.
Venons-en aux deux dernières caractéristiques annoncées , à sa- voir le couple de positionnement et le déphasage. Trois versions , relati¬ ves au mode de fonctionnement du moteur, sont successivement exposées.
Il s'agit des versions suivantes :
- moteur pas à pas bipolaire; - moteur pas à pas unipolaire;
- moteur synchrone .
Ces appellations seront aisément compréhensibles à la suite des explications fournies plus loin.
Considérons la première version, dite moteur pas à pas bipolaire.
Venons-en au couple de positionnement.
En l'absence de courant, le moteur présente un couple dû au ro¬ tor aimanté, couple appelé plus loin couple de positionnement. Dans la position du rotor dessinée sur la Fig . 9 , la perméance vue par les flux issus des paires de pôles du rotor est maximale. Dans cette position , en accord avec les lois de l'électromécanique, l'énergie magnétique étant né- gative, elle est minimale et correspond à une position d'équilibre stable.
Toujours en l'absence de courant, dans la position du rotor déca¬ lée de π/N par rapport à la précédente, la perméance vue par les flux issus .des paires de pôles du rotor est minimale. A cette position, en ac- cord avec les lois de l'électromécanique , correspond donc une position d'équilibre instable. Toujours en l'absence de courant , en décalant enco¬ re le rotor de ir/N par rapport à la position précédente , la perméance vue par les flux des paires de pôles du rotor est à nouveau maximale et il lui correspond une position d'équilibre stable.
Le moteur présente donc un couple de positionnement de période 2ιr/N .
Les allures des couples de positionnement Ma et mutuel Mab sont données à la Fig. 10a en fonction de l'angle de rotation du rotor. Pour fixer des ordres de grandeur, il est avantageux, du point de vue du rendement, que le rapport entre le couple de positionnement et le couple mutuel soit de l'ordre de 0 , 25.
Venons-en au déphasage entre le couple mutuel et le couple de positionnement .
Pour permettre le démarrage du moteur et donner un sens • de ro- tation privilégié au rotor , il est, en effet, nécessaire de créer un dépha¬ sage angulaire entre les couples , mutuel et de positionnement.
Le déphasage γ peut être créé, à titre d'exemple, grâce à l'asy¬ métrie des pôles des pièces polaires . Un exemple de réalisation est donné à la Fig. 7.
En effet, l'asymétrie des pôles des pièces polaires modifie la posi¬ tion du rotor pour laquelle la perméance vue par les flux des paires de pôles du rotor est maximale, et, partant, la position d'équilibre stable. Il en résulte le décalage angulaire annoncé entre le couple mutuel et . le couple de positionnement, comme cela est représenté à la Fig . 10b . en fonction de l'angle de rotation α du rotor.
Le comportement du moteur avec les caractéristiques décrites , lorsque la bobine est alimentée, est connu et n'est pas exposé. Il est à signaler cependant que la période du couple de positionnement étant la moitié de celle du couple mutuel, le fonctionnement du moteur en mode pas à pas dans un même sens de rotation nécessite des impulsions de tension de polarité alternée, telles que celles représentées à la Fig. 10c,
Cf
OM - en fonction du temps t. Le moteur est ainsi dit pas à pas bipolaire.
Considérons la deuxième version dite moteur pas à pas unipolaire.
Venons-en au couple de positionnement.
Dans cette variante, les pôles des pièces polaires sont dimension- nés de telle sorte que le couple de positionnement introduit par ces pôles soit négligeable vis-à-vis du couple mutuel. Cela peut se faire en parti- culier en diminuant l'entrefer sinueux entre les pièces polaires coplanai¬ res des stators.
Le couple de positionnement, ainsi que le déphasage, sont créés par un système auxiliaire de telle sorte que le couple de positionnement ait une période de 4τr/N, c'est-à-dire la même période que celle du couple mutuel. La façon dont un tel système auxiliaire peut être conçu est con¬ nue et n'est pas exposée. Les allures des couples de positionnement Ma et mutuel Mab sont données pour cette deuxième variante à la Fig. lia, analogue à la Fig. 10b .
Le comportement du moteur avec les caractéristiques décrites, lorsque la bobine est alimentée, est connu et n'est pas exposé. Il est à signaler cependant que la période du couple de positionnement étant éga¬ le à celle du couple mutuel, le fonctionnement du moteur en mode pas à pas dans un même sens de rotation nécessite des impulsions de tension de même polarité, telles que celles représentées à la Fig. 11b , analogue à la Fig. 10c. Le moteur est ainsi dit pas à pas unipolaire.
Il est clair qu'il est également possible d'utiliser un système auxi- liaire dans le cas du moteur pas à pas bipolaire. Le système auxiliaire est alors conçu pour donner un couple de positionnement de période 2τr/N.
Considérons la troisième version dite moteur synchrone.
Il est clair que le moteur décrit, fonctionnant en mode pas à pas peut aussi fonctionner en mode continu. Le couple de positionnement est rendu négligeable vis-à-vis du couple mutuel. Il est toutefois avantageux de laisser subsister un léger couple de positionnement et un déphasage entre ce couple de positionnement et le couple mutuel, dans le but d'as¬ surer l'autodémarrage du moteur.
Le comportement du moteur avec les caractéristiques décrites , lorsque la bobine est alimentée, est connu et n'est pas exposé. Il est à signaler, cependant, que le fonctionnement du moteur en mode continu dans un même sens de rotation nécessite une tension alternative et que la vitesse de rotation du rotor est proportionnelle à la fréquence d'ali¬ mentation. Le moteur est ainsi dit synchrone.
Les explications, qui ont été données au sujet de la création du couple de positionnement par les pôles des stators, peuvent être facile¬ ment adaptées au cas où le moteur comprend un disque ferromagnétique doux fixe, comme cela est défini par la revendication 6.
Pour créer un couple de positionnement de période 2τr/N, il suffit que ce disque soit, par exemple, tel qu'illustré à la Fig . 8. Il présente N parties évidées 15 , disposées à distance égale de l'axe de rotation du rotor et espacées d'un intervalle angulaire égal. On s'arrange dans un tel cas pour que le couple de positionnement introduit par les pôles des pièces polaires du stator soit faible par rapport au couple de position¬ nement introduit par le disque ferromagnétique.
Dans le cas où les pôles des deux faces externes du rotor sont directement en regard, les parties évidées du disque ferromagnétique doux fixe sont décalées par rapport aux tronçons radiaux de l'entrefer sinueux, comme cela est défini par la revendication 16 , de façon à créer un déphasage entre le couple mutuel et le couple de positionnement.
Dans le cas où les pôles d'une face externe du rotor sont décalés par rapport à ceux de l'autre face externe du rotor, comme défini par la revendication 7, les parties évidées du disque ferromagnétique doux fixe peuvent être placées symétriquement par rapport aux tronçons radiaux de l'entrefer sinueux, comme cela est défini par la revendication 18.
Les explications fournies sont aisément transposables au cas où l'on désire un couple de positionnement de période 4τr/N. Le disque fer¬ romagnétique doux fixe présente alors N/2 parties évidées.
FEUILLE D Venons-en à l'affirmation faite plus haut, que le moteur selon l'in¬ vention a pour but d'être optimum du point de vue du rendement. Il se¬ rait trop long d'entrer dans les détails de la théorie. Ce que l'on peut constater, c'est que pour le moteur de la présente invention, les flux de toutes les paires de pôles du rotor sont acheminés dans le même sens dans le noyau de la bobine, cela grâce à l'enchevêtrement décrit des piè¬ ces polaires intérieures et extérieures et grâce à la liaison magnétique décrite des stators, inférieur et supérieur, par le noyau de la bobine. Il n'existe ainsi aucun flux de paire de pôles qui soit perdu dans le sens où il ne se refermerait pas par le noyau et ne participerait pas de façon additive au flux mutuel. Il s'agit d'une première condition nécessaire à l'obtention d'un rendement optimum.
De plus, pour le moteur de la présente invention, le flux de cha- que paire de pôles du rotor est maximisé par le fait que le flux est re¬ cueilli et se referme par les pôles des pièces polaires qui sont directe¬ ment en regard des pôles de chacune des paires.
Il s'agit d'une deuxième condition nécessaire à l'obtention d'un rendement optimum.
Enfin, pour le moteur de la présente invention, dans son mode de fonctionnement pas à pas, il faut ajouter un point supplémentaire. Le fait que le rotor soit plein, dans le sens où il n'existe pas d'intervalle angu- laire entre les pôles de chaque face du rotor, qui ne soit égal à 2τr/N, optimise, du point de vue du rendement, la relation entre le flux total des paires de pôles du rotor et l'inertie du rotor. Cela provient du fait que le rendement est une fonction croissante du flux et décroissante de l'inertie, mais que la puissance à laquelle cette fonction croît avec le flux est plus grande que la puissance à laquelle cette fonction décroît avec l'inertie.
Pour le fonctionnement en mode pas à pas, il s'agit d'une troisiè¬ me condition nécessaire à l'obtention d'un rendement optimum.
Grâce à la conjonction des conditions nécessaires qui viennent d'être énumérées plus haut, il est possible d'affirmer que le moteur fai¬ sant l'objet de la présente invention est optimum du point de vue du rendement.
FE Il est aussi facile de déduire que les autres moteurs du. même ty¬ pe, mais qui ne satisferaient pas à l'ensemble de ces conditions nécessai¬ res , ne sont pas optima du point de vue du rendement.
II va de soi, en effet, que le fonctionnement du moteur est possi¬ ble, même si l'ensemble des conditions nécessaires , qui ont été énumé- rées, ne sont pas satisfaites.
Venons-en enfin à l'affirmation faite plus haut que le moteur selon l'invention a pour autre but de présenter une gamme de puissances qui peut être très étendue, sans modification de la conception du moteur.
Il serait trop long d'entrer dans les détails de la théorie. Il est toutefois intuitif de remarquer que la puissance mécanique que peut fournir le moteur est une fonction croissante du nombre de paires de pô¬ les du rotor, ainsi que du diamètre du rotor.
Cette situation permet d'étendre la gamme des puissances du mo¬ teur, sans avoir à modifier la conception du moteur. Il est donc possible d'affirmer que le moteur faisant l'objet de la présente invention présente une gamme de puissances qui peut être très étendue, sans modification de la conception du moteur.
FEUILLE DE REMPLACEMENT

Claims

R E V E N D I C A T I O N S :
1. Moteur monophasé à rotor aimanté présentant N/2 paires de pôles par face, caractérisé en ce que les dits pôles sont, pour chaque face, alternativement de signe opposé et espacés d'un intervalle angulaire égal, les pôles d'une face étant directement en regard de ceux de l'autre face et de même signe, le dit rotor étant disposé entre deux stators, l'un, supérieur, et l'autre, inférieur, les dits stators étant constitués chacun de deux pièces polaires , coplanaires, imbriquées, l'une, intérieu¬ re, dans l'autre, extérieure, et séparées par un entrefer sinueux, les pôles de chacune de ces pièces polaires étant au nombre de N/2 et espa- ces d'un intervalle angulaire double de celui existant entre les pôles ad¬ jacents de chaque face du rotor, chaque pièce polaire du stator supé¬ rieur étant reliée magnétiquement à la pièce polaire du stator inférieur, dont les pôles sont directement en regard, la liaison magnétique étant telle que les deux pièces polaires intérieures sont reliées à une première extrémité d'un noyau, dont l'autre extrémité est reliée aux deux pièces polaires extérieures, au moins une bobine étant enroulée autour du no¬ yau.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor est formé en deux parties présentant chacune N axes de magnétisation de direction alternativement opposée, les dits axes étant parallèles à l'axe de rotation du rotor et séparés par un intervalle angulaire égal, les deux parties du rotor étant séparées par un disque ferromagnétique doux, les pôles de la face externe d'une partie étant directement en re- gard de ceux de la face externe de l'autre partie et de même signe.
3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pôles d'une face externe du rotor et les pôles directement en regard du stator sont décalés identiquement par rapport aux pôles de l'autre face externe du rotor et aux pôles de l'autre stator.
4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison magnétique entre les deux pièces polaires de chaque stator à l'aide d'un seul noyau est supprimée pour être remplacée par une liaison magnétique à l'aide de deux noyaux, les deux pièces polaires coplanaires de l'un des stators étant reliées par un premier deux pièces polaires coplanaires de l'autre stator étant reliées par un second noyau, au moins une bobine étant enroulée autour de chacun des noyaux .
5. Moteur selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que l'un des stators est supprimé.
6. Moteur selon la revendication 5 , caractérisé en ce qu'il comprend un disque ferromagnétique doux -fixe, de façon que le rotor soit disposé entre le dit disque et le stator restant.
7. Moteur selon la revendication 6 , caractérisé en ce que les pôles d'une face externe du rotor sont décalés par rapport à ceux de son au¬ tre face externe.
8. Moteur selon la revendication 5 , caractérisé en ce que le rotor ne présente N/2 paires de pôles que sur la face en regard du stator res¬ tant.
9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour être utilisé en mode pas à pas bipolaire.
10. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour être utilisé en mode pas à pas unipolai- re.
11. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour être utilisé en mode continu synchrone.
12. Moteur selon la revendication 9 , caractérisé en ce que ces moyens consistent en l'utilisation des pièces polaires pour créer un couple de po¬ sitionnement de période 2ιr/N et en l'asymétrie des pièces polaires pour créer le déphasage entre le couple de positionnement et le couple mutuel.
13. Moteur selon la revendication 9 , caractérisé en ce que ces moyens consistent en l'utilisation d'un système auxiliaire pour créer le couple de positionnement de période 2τr/N et le déphasage entre le couple de posi¬ tionnement et le couple mutuel.
FEUILLE DE REMPLACEMENT
14. Moteur selon la revendication 10 , caractérisé en ce que ces mo¬ yens consistent en l'utilisation d'un système auxiliaire pour créer le cou¬ ple de positionnement de période 4ττ/N et le déphasage entre le couple de positionnement et le couple mutuel, les pièces polaires étant dimension- nées de telle sorte qu'elles ne créent qu'un couple de positionnement né¬ gligeable .
15. Moteur selon la revendication 11 et l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les dits moyens sont dimeπsionnés de façon à ne laisser subsister qu'un très faible couple de positionnement et un dé¬ phasage entre ce couple de positionnement et le couple mutuel assurant lr autodémarrage du moteur.
16. Moteur selon les revendications 6 et 9, caractérisé en ce que ces moyens consistent en ce que le disque ferromagnétique doux fixe présen¬ te N parties évidées, disposées à distance égale de l'axe de rotation du rotor et espacées d'un intervalle angulaire égal, les dites parties évidées étant décalées par rapport aux tronçons radiaux de l'entrefer sinueux du stator.
17. Moteur selon les revendications 6 et 10, caractérisé en ce que ces moyens consistent en ce que le dique ferromagnétique doux fixe présente N/2 parties évidées, disposées à distance égale de l'axe de rotation du rotor et espacées d'un intervalle angulaire égal, les dites parties évidées étant décalées par rapport aux tronçons radiaux de l'entrefer sinueux du stator .
18. Moteur selon les revendications 7 et 9, caractérisé en ce que ces moyens consistent en ce que le disque ferromagnétique doux fixe présen- te N parties évidées, disposées à distance égale de l'axe de rotation du rotor et espacées d'un intervalle angulaire égal, les dites parties évidées étant symétriques par rapport aux tronçons radiaux de l'entrefer sinueux du stator.
19. Moteur selon les revendications 7 et 10 , caractérisé en ce que ces moyens consistent en ce que le disque ferromagnétique doux fixe présen¬ te N/2 parties évidées , disposées à distance égale de l'axe de rotation du rotor et espacées d'un intervalle angulaire égal, les dites parties évidées étant symétriques par rapport aux tronçons radiaux de l'entrefer sinueux du rotor.
20. Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces polaires des stators sont positionnées dans leurs plans par quatre pieds-vis et en hauteur, par des epaulements de deux pieds-vis et par deux entretoises.
FEUILLE DE REMPLACEMENT OMPI
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