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Dispositif électromagnétique pour l'entretien des oscillations d'un ensemble balancier-spiral La présente invention a pour objet un dispositif électromagnétique pour l'entretien des oscillations d'un ensemble balancier-spiral d'un mouvement d'horlogerie.
On connaît déjà des dispositifs de ce genre comportant un balancier formé d'un disque en matière isolante oscillant autour d'un axe, et dans lequel est noyé un enroulement constitué par deux bobines plates de forme sensiblement triangulaire. Ce disque se déplace dans un champ magnétique dirigé parallèlement à cet axe et qui est créé par six pièces polaires S et N alternées.
Dans la position de repos d'équilibre statique dans laquelle le ressort spiral ramène le balancier, ces bobines se trouvent en face de deux de ces pièces polaires et le sens du courant envoyé dans ces bobines par le contact contrôlé par le balancier est tel que le flux propre des bobines est opposé au flux des pièces polaires leur faisant face. Dans ces conditions, cette position relative des bobines et des pièces polaires est une position d'équilibre instable.
En effet, si le balancier étant au repos., le courant est envoyé dans les enroulements, les forces électromotrices qui agissent sur les bobines se compensent, mais dès que le balancier est légèrement écarté de cette position, il se trouve soumis à un couple dirigé dans le sens de la déviation.
Lorsque le balancier, oscille dans un sens déterminé, la répulsion due aux pôles N et S primitivement en face des bobines s'ajoute à l'attraction de la deuxième paire de pôles N et S se trouvant immédiatement après les pôles de la première paire, tandis que lors de l'oscillation dans le sens opposé au premier, c'est l'attraction des pôles N et S de la troisième paire, disposés symétriquement par rapport aux pôles de la deuxième paire, qui s'ajoute à la répulsion des pôles N et S de la première.
On sait cependant que, du point de vue de l'isochronisme des oscillations du balancier, l'angle de rotation du balancier le long duquel s'exerce l'impulsion motrice ne doit pas dépasser lors de chaque alternance, une valeur de 45 degrés à 50 degrés ; on voit donc que, dans ce dispositif, au moins un tiers de la masse totale des aimants reste inutilisée, en réduisant ainsi l'efficacité.
La présente invention a pour objet un dispositif électromagnétique ne présentant pas cet inconvénient. Ce dispositif, qui est du type comportant un stator présentant un nombre déterminé de paires de pièces polaires et un rotor bobiné solidaire du balancier et oscillant dans le champ créé par le stator, l'enroulement de ce rotor recevant, par l'intermédiaire d'un contact commandé par le balancier, des impulsions de courant motrices dès le moment où le balancier a passé par sa position d'équilibre statique, est caractérisé par le fait que l'enroulement du rotor est formé d'un nombre pair, compris entre quatre et huit,
de faisceaux rectilignes de conducteurs r6guliè- rement espacés angulairement autour de l'axe du balancier et connectés entre eux de façon que les faisceaux successifs soient parcourus par des courants de sens opposé et que lesdites pièces polaires, en forme de secteur, sont disposés selon des sens d'aimantation alternés, concentriquement à l'axe d'oscillation du balancier et en un nombre égal à celui desdits faisceaux conducteurs, la direction du champ magnétique à la sortie de chaque pièce polaire étant au moins en partie perpendiculaire à celle des faisceaux, l'une de ces directions étant radiale et l'autre parallèle à l'axe d'oscillation du balancier,
la distribution des pièces polaires et du courant dans ces faisceaux de conducteurs étant choisie de façon que dans la position d'équilibre statique du balancier, un observateur d'ampère couché le long d'un de ces
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faisceaux, traversé par le courant des pieds à la tête et regardant vers les pièces polaires, ait toujours un pôle S à sa gauche et un pôle N à sa droite.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, quatre formes d'exécution et des variantes de l'objet de la présente invention La fig. 1 illustre schématiquement un balancier à quatre faisceaux de conducteurs et un stator magnétique tétrapolaire selon une première forme d'exécution ; la fig. 2 montre une variante de la première forme d'exécution ; les fig. 3, 4 et 5 représentent différentes variantes d'une deuxième forme d'exécution à six faisceaux ; la fig. 6 est une de face d'un stator magnétique hexapolaire ;
la fig. 7 une coupe axiale de l'une des formes d'exécution ; la fig. 8 représente une troisième forme d'exécution comportant huit faisceaux radiaux; la fig. 9 représente schématiquement et en perspective une quatrième forme d'exécution dans laquelle les faisceaux conducteurs sont parallèles à l'axe de rotation du balancier ; la fig. 10 est une vue en perspective avec arrachement partiel d'une variante de la quatrième forme d'exécution ; la fig. 11 est une coupe axiale de cette variante.
Suivant la représentation schématique de la première forme d'exécution de la fig. 1, le balancier comporte un enroulement constitué par quatre faisceaux conducteurs radiaux, 4, 5, 6 et 7 décalés de 90o les uns des autres, tandis que le stator est constitué par quatre aimants en forme de secteur NI-SI, Nz-S2, les sens des courants dans les faisceaux, alimentés par une source 13 par l'intermédiaire du contact flexible 12 commandé par le balancier et reliés entre eux en série par la connexion 10 étant choisis de façon que dans la position d'équilibre statique du balancier,
un observateur d'ampère couché le long de l'un de ces faisceaux, traversé par le courant des pieds à la tête et regardant vers les pièces polaires, ait toujours un pôle S à sa gauche et un pôle N à sa droite.
Suivant la variante de la première forme d'exécution de la fig. 2, chacun des faisceaux radiaux est dédoublé en 4, 4' - 5, 5' - 6, 6' - 7, 7', les faisceaux 4' - 5, 5' - 6, 6' - 7, 7' - 4 étant respectivement reliés deux à deux par les connexions en arc de cercle, 10, 10', 10", 10"' pour former quatre bobines fermées en forme de secteurs et pouvant être reliées en série entre elles.
La fig. 3 représente schématiquement une seconde forme d'exécution dont l'enroulement comporte six faisceaux ou nappes de conducteurs radiaux 4, 5, 6, 7, 8, 9 faisant entre eux, respectivement, des angles de 600, le sens des courants étant sur le parcours de la circonférence mutuellement inversé comme indiqué par les flèches, tous les conducteurs radiaux étant reliés en série par des conducteurs de liaison concen- triques 10, 10' n'intervenant pas dans le couple moteur.
L'ensemble est soutenu par un support en matière non magnétique et non métallique ou enrobé dans une matière isolante en forme de rondelle plate 1, cette matière devant être indéformable avec un coefficient de dilatation peu élevé, susceptible d'être moulée à chaud de préférence, qualités pouvant être remplies par différents matériaux plastiques. Ladite rondelle portant les enroulements est traversée en son centre par un arbre de pivotement 2 solidaire d'un ressort spiral 11 (fig. 8), et constitue le balancier de la montre, le moment d'inertie du balancier et le couple élastique du ressort spiral 11 étant choisis pour obtenir une période d'oscillation déterminée.
Le balancier oscille au-dessus et à très faible distance d'un stator magnétique formé de six aimants NI, SI, N2, S2, N3, S3 assemblés comme représenté sur la fig. 6 décrite plus bas. Les surfaces polaires sont, dans un même plan, parallèles à la surface du balancier 1 et les pôles régulièrement alternés le long de la circonférence sont jointifs ou séparés par de petits entrefers radiaux, les faisceaux recouvrant les lignes de séparation polaires lors du passage du balancier par le voisinage de sa position d'équilibre statique (torsion nulle du spiral).
Le contact 12 se ferme dès cet instant précis, l'enroulement recevant de la source 13 une impulsion électrique. Lorsque le sens de circulation du courant défini plus haut est adopté, il est facile de voir que si on écarte, à partir de cette position, le balancier dans un sens ou l'autre, tous les faisceaux tendront à se déplacer spontanément dans le sens de l'écart en fournissant un travail positif pour un déplacement angulaire maximum correspondant au passage d'une ligne de séparation polaire ou ligne neutre, jusqu'à la ligne de séparation polaire immédiatement voisine,
à partir de laquelle le travail change de signe, c'est à-dire qu'il faudrait fournir un couple moteur pour déplacer le balancier. Le contact sera coupé avant d'atteindre cette position limite. En principe pour un balancier d'amplitude de 2700 le contact est rompu après un parcours angulaire de l'ordre de 40c) à 50o de part et d'autre de l'axe où le contact est établi.
On remarquera que les six faisceaux radiaux à sens de circulation mutuellement inversés déterminent trois nappes diamétrales 4 - 7, 5 - 8, 6 - 9, de sorte qu'on peut fermer respectivement chaque nappe sur elle-même par des conducteurs périphériques de liaison comme représenté en fig. 3, ce qui constitue trois galettes en forme de secteurs qu'on connecte en série.
Toutefois, pour éviter les croisements des faisceaux au centre, on a trouvé préférable de connecter ensemble, comme représenté en fig. 4, les conducteurs appartenant à deux nappes radiales voisines, tant au centre qu'à la périphérie par des connexions 14, 14', 14", ce qui détermine trois bobines de forme triangulaire 15, 15', 15", ayant une ouverture angulaire de 600 pour la spire moyenne et décalées de 600 les unes des autres.
Dans la variante représentée en fig. 5, chaque faisceau radial est dédoublé, et, au moyen de six
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connexions périphériques circulaires 16, 17, 18, 19, 20, 21, on forme six bobines triangulaires jointives 22, 23, 24, 25, 26, 27, ayant un angle au centre moyen de 60o.
Dans la deuxième forme d'exécution et de ses variantes, quel que soit le nombre de faisceaux radiaux ou de bobines complètes adoptées pour le rotor, le stator comporte une distribution magnétique à six pôles pour obtenir le maximum d'efficacité au point de vue couple, rendement et consommation.
La fabrication d'un petit aimant multipolaire dont le diamètre, selon les dimensions de la montre, peut varier entre 10 mm à 25 mm et dont l'épaisseur est de l'ordre de 3 mm à 5 mm, ces dimensions correspondant approximativement à l'emplacement disponible dans une montre-bracelet ou une pendulette, soulève les difficultés pratiques d'aimantation du fait que les matériaux très coercitifs utilisés doivent être soumis à des champs intenses obtenus à partir d'élec- tro-aimants à grand nombre d'ampères-tours et dont les pôles se trouvent très rapprochés les:
uns des autres, et de plus, les plages d'aimantation doivent être bien définies et de surfaces égales, ce qui est très difficile à obtenir simultanément et en une seule fois, la dimension de l'aimant étant très petite.
Le problème peut être résolu dans de meilleures conditions par l'assemblage de petits aimants élémentaires bipolaires de forme prismatique, trapézoïdale ou de secteur circulaire présentant chacun quatre faces planes, les éléments élémentaires étant aimantés séparément ce qui permet l'aimantation à saturation dans un champ magnétique très facile à obtenir, les petits aimants élémentaires étant ensuite juxtaposés et assemblés pour former un aimant multipolaire de faible hauteur, à six pôles par exemple. Les axes polaires sont perpendiculaires à l'axe des conducteurs radiaux des enroulements qui coupent à angle droit les lignes de force.
Sur la fig. 6 les aimants élémentaires 28, 29, 30, 31, 32, 33, sont maintenus et cloisonnés avec un faible entrefer de l'ordre du millimètre par étoile non magnétique 34, et une fois introduits dans les alvéoles, maintenus par un cerclage 35 très mince. L'ensemble présente une structure alvéolaire ou en nid d'abeille . On pourrait aussi constituer l'étoile 34 en alliage magnétique à bas point de Curie dont la perméabilité magnétique diminue lorsque la température croît, ceci afin de compenser l'augmentation de résistance ohmique des enroulements avec la température, ce qui tiendrait à faire diminuer légèrement l'amplitude des oscillations du balancier.
On peut, dans un aimant multipolaire tel que figuré en fig. 6, laisser une fente libre 36 jusqu'au centre permettant d'introduire l'axe 2 de côté avec deux crapaudines 37, 37' (fig. 7) fixées sur la platine, ce qui est encore un avantage de ce mode de réunion de petits aimants.
Les aimants en matière très coercitive, pourraient être accolés sans entrefer, les lignes de force étant sensiblement perpendiculaires et parallèles dans toute la région où se déplacent les enroulements, c'est-à-dire jusqu'à 3 mm au moins de la surface. Les lignes de fuite obliques de pôle à pôle correspondent aux positions non utilisées à l'instant du contact, de sorte que les conditions d'utilisation les meilleures sont remplies.
Les aimants utilisés sont, de préférence aux matériaux métalliques, exécutés dans des céramiques magnétiques ou ferrites qui ont pour l'utilisation considérée l'avantage d'être légères et isolantes au point de vue de la conductibilité électrique.
Dans le but de raccourcir le trajet des lignes de force dans l'air et par là d'augmenter l'induction dans la région où se déplacent les conducteurs, on pourrait fermer les circuits magnétiques en plaçant sur les aimants, tels que représenté sur les fig. 4 et 5, une armature ferromagnétique mince, en forme de disque, délimitant un entrefer dans lequel se déplace le balancier 1, cette armature pouvant être magnéti- quement reliée en 40 à une plaque ferromagnétique 39 sur laquelle reposent les faces opposées des aimants.
Cette disposition a l'avantage de raccourcir le trajet des lignes de force en leur donnant dans l'entrefer un meilleur paralléllisme, ce qui améliore le couple, tout en formant écran magnétique vis à vis des pièces d'horlogerie voisines, écran qui pourrait être renforcé, si besoin était, par un cerclage cylindrique de diamètre évidemment plus grand que celui de la surface aimantée pour éviter des dérivations magnétiques importantes.
L'efficacité sera maximum si, suivant fig. 1 à 3, on constitue un enroulement à faisceaux diamétraux encadrant deux à deux leurs pôles respectifs en position du début et de la fin du travail moteur, cette dernière position n'étant jamais atteinte, car, pour des raisons d'isochronisme, l'expérience a établi que le balancier doit être complètement libéré de toutes forces motrices ou passives après un parcours de 40o à 45o de part et d'autre de sa position d'équilibre.
On pourrait encore dans une autre forme d'exécution constituer un stator à huit pôles, et huit faisceaux radiaux, chaque pôle constituant un secteur de 450 d'ouverture qui est l'extrême limite des possibilités. Cette disposition est représentée en fig. 8 où huit faisceaux radiaux dédoublés 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 sont connectés entre eux de façon à former huit bobines 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58.
Une remarque importante s'impose. Si l'on se reporte à la fig. 3, on voit que tous les six faisceaux radiaux seraient utilisés en bouclant les conducteurs 4 - 5, d'une part, de façon à constituer une bobine, de même pour les conducteurs 6 - 7, de même pour les conducteurs 8 - 9.
En effet, si on considère par exemple les côtés 4 - 5 fermés par 10', ces conducteurs qui encadrent à circuit fermé le pôle sud S3 forment avec les conducteurs 6 et 9 deux enroulements non bouclés encadrant les deux pôles nord consécutifs Ni et N2. Tout se passe comme si on avait trois bobines à circuit fermé et trois autres
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bobines non bouclées mais dont les sections sont identiques, les conducteurs de liaison périphériques n'intervenant pas.
L'avantage d'un agencement à six bobines fermées, (fig. 4) côte à côte par rapport à trois bobines bouclées (fig. 3) apparaîtra clairement par les considérations suivantes : soit e (fig. 4) la largeur d'un enroulement triangulaire. On supposera que cet enroulement a dépassé la position de l'instant du contact, les deux côtés sous-tendant un angle de 600 se trouvant sur les régions soumises aux champs magnétiques et on considérera le côté 6 de la bobine 15, l'autre côté 5 étant le siège de phénomènes identiques.
Les forces qui s'exercent sur chaque portion dy de conducteur sont sensiblement égales, proportionnelles aux champs et à l'intensité et perpendiculaires à la portion de conducteur considéré, mais les moments dépendent de la distance de chaque portion dy au centre o, de leur obliquité par rapport à un rayon et pour les fils parallèles au rayon de leur distance à celui-ci, de sorte que l'efficacité va en diminuant des conducteurs extérieurs aux conducteurs intérieurs. Sur le conducteur 6, l'élément dy à la distance y de l'axe o-x est soumis à un moment m = Hiydy, H étant l'intensité du champ magnétique et i l'intensité du courant dans le faisceau 6.
En intégrant de o à R (rayon) on voit que le moment résultant est proportionnel au carré du rayon, de même que la force contre-électromotrice.
Les arrondis sont surtout défavorables dans la région périphérique, particulièrement pour les spires courtes. On voit que pour la spire intérieure la longueur utile est approximativement h et l'intégration des moments doit être faite sur une longueur h plus petite que R. De plus, si on considère un élément de conducteur à la même distance y de l'axe x x, celui-ci est soumis à une force FI dont la projection F2 sur un axe perpendiculaire au rayon O-R a donne le moment par rapport à l'axe de pivotement O (F2 = FI sin i#), à étant égal à zéro pour tous les arrondis dont les tangentes sont perpendiculaires aux rayons.
En conclusion, la largeur e des galettes dans le plan doit être relativement petite, les conducteurs devant être en direction du centre du cercle décrit. Quant à l'épaisseur de la galette, on est limité par la décroissance du champ magnétique à partir des pôles à circuit magnétique ouvert et par l'entrefer à circuit magnétique fermé. On est donc amené à répartir les conducteurs sur toute la surface circulaire, c'est-à-dire à utiliser six bobines, qui, toutes choses égales d'ailleurs, permettront d'obtenir le moindre étalement des conducteurs de part et d'autre des axes passant par le centre de pivotement.
Il est évident qu'en disposant une bobine adjacente (pour le même nombre de conducteurs) la largeur de chaque nappe d'une bobine de part et d'autre de o-b sera
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La largeur d'un faisceau radial peut être égale à l'entrefer interpolaire 4 (fig. 4) et dans ce cas les couples moteurs sont créés presque d'emblée après l'instant du contact. Si le profil extérieur est contenu à l'intérieur de la surface d'un aimant, le couple moteur est retardé et il y a léger gaspillage du courant jusqu'au franchissement des axes interpolaires.
Si le profil déborde l'aimant correspondant, une des nappes est soumise à un couple de freinage avant franchissement de la ligne neutre et de bonnes conditions sont remplies lorsque la spire extérieure épouse un triangle polaire y compris les deux intervalles polaires c'est-à-dire borde les côtés des deux aimants adjacents à celui qu'elle encadre, les spires intérieures empiétant sur le pôle central. Toutefois l'ouverture plus ou moins grande des côtés des enroulements permet, une fois la courbe de la force contre- électromotrice connue, de modifier dans une certaine mesure la position du maxima du couple moteur sur l'abscisse du temps de contact.
Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, la disposition décrite plus haut et représentée aux fig. 1 à 8 peut être inversée en donnant aux aimants juxtaposés en forme de secteurs une aimantation de direction radiale, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe d'oscillation, et en utilisant un balancier en forme de cylindre creux entourant ces aimants et portant des faisceaux de conducteurs rectilignes disposés suivant des génératrices de ce cylindre, c'est-à-dire parallèlement à l'axe d'oscillation.
Cette réalisation est particulièrement intéressante étant donné que toute la longueur des conducteurs, rectilignes se trouve utilisée, alors que la longueur des conducteurs de liaison est réduite au minimum, et est applicable dans le cas où le dispositif n'a pas besoin d'avoir une forme extrêmement plate, c'est-à-dire pour toutes les montres électriques portatives autres que les montres-bracelets, pour les pendulettes, montres de tableau de bord des automobiles, ete.
La fig. 9 représente schématiquement une telle disposition dans laquelle six pièces polaires NI - SI, N2 - S@, N3 - S3 en forme de secteurs à aimantation radiale sont juxtaposées comme dans les cas précédents en laissant au centre une ouverture 59 pour le passage de l'axe 60 sur lequel est fixé le balancier portant six faisceaux de conducteurs parallèles uniformément répartis 61, 62, 63, 64, 65, 66.
Ces faisceaux conducteurs sont reliés en série, alternativement à leurs extrémités supérieure et inférieure par des, connexions en arc de cercle 67, 68, 69, etc., de façon que les sens des courants soient opposés dans les faisceaux de conducteurs consécutifs.
Conformément aux fig. 10 et 11, les conducteurs 61-66 sont dédoublés en 61, 61'-62, 62'-63, 63'- 64, 64'- 65, 65'- 66, 66' et reliés deux à deux de façon à former des bobines fermées dont les côtés, supérieur et inférieur sont formés par des connexions en arcs de cercle 70, 70'- 71, 7l' - etc.
Ces bobines sont noyées dans la partie cylindrique d'une cloche en matière plastique 72 portée par l'axe 60 pivoté en 73, 73' et muni d'un ressort spiral 74. Comme dans les dispositions précédentes, le balancier 72
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porte une pièce de contact 75 actionnant une lame flexible 76 reliée à la source 77.
Les aimants fixes N, Sl - N@ S., - N3 S3 sont fixés sur une plaquette non magnétique 78 et l'ensemble est monté sur une platine en fer doux 79 portant un cylindre en fer doux également, 80, enveloppant le balancier 72 et par lequel se ferme le flux magnétique radial des aimants permanents fixes.