Machine électrique multipolaire agencée de manière à pouvoir tourner pas à pas La présente invention concerne une machine électrique tournante du même genre que celles qui sont décrites au brevet No 353071. Elle a pour objet une machine électrique multipolaire agencée de ma nière à pouvoir tourner pas à pas et comprenant deux groupes de bornes destinés à être reliés alterna tivement à une source d'alimentation.
Cette machine, dont le rotor au moins comprend un bobinage constitué par des conducteurs plats adhérant intimement aux deux faces isolantes oppo sées d'un support annulaire sur lesquelles ils sont répartis en deux jeux de demi-spires ayant leurs ex trémités en regard interconnectées de l'une à l'autre face, et dont le stator comprend une ou plusieurs paires de pôles inducteurs disposés selon une cou ronne en regard d'une partie au moins de la surface annulaire du bobinage, est caractérisée en ce qu'elle comporte deux jeux d'éléments de commutation cons titués respectivement par des segments conducteurs et par des balais portant sur ces segments, lesdits segments étant disposés selon deux couronnes, les segments d'une couronne étant décalés d'un demi pas polaire par rapport aux segments de l'autre cou ronne,
chaque segment présentant une longueur indi viduelle légèrement supérieure à un demi-pas polaire et les distances entre les axes des segments consécu tifs de chaque couronne étant égales à un pas polaire, lesdits balais formant au moins deux paires espacées d'un pas polaire entre elles, les éléments de l'un de ces deux jeux étant reliés en alternance à des prises équidistantes du bobinage du rotor et les éléments de l'autre jeu étant reliés auxdites bornes d'alimen tation.
Pour simplifier l'exposé du principe d'avance pas à pas des machines qui vont être décrites, et pour en faciliter la compréhension, on se référera dès maintenant à la fig. 1 des dessins joints. Ce schéma se rapporte à un moteur bipolaire dont le pas élec trique de 900 est confondu ici avec le pas d'avance angulaire, le moteur tournant d'un tour complet en quatre pas. Pour quatre pôles, il ferait une rotation en huit pas, pour six pôles en douze pas, pour huit pôles en seize pas, et ainsi de suite au fur et à me sure qu'on augmentera le nombre de paires de pôles de la machine.
Sur le schéma de la fig. 1, on a donc représenté en 1 un rotor dont le bobinage est supposé recou vrir uniformément ce rotor et sur la périphérie du quel on a établi quatre prises, en deux paires, 4-5 et 6-7. Ce rotor se déplace dans le champ d'une paire de pièces polaires 2 et 3, Nord et Sud par exemple. Deux paires de bagues conductrices 8-9 et 10-11 sont reliées d'une part aux paires de prises 4-5 et 6-7 du bobinage du rotor et, d'autre part, à des paires de contacts 12 et 13 dont les armatures mobiles sont branchées aux bornes d'une batterie (ou autre source de courant continu) 15.
Les arma tures des contacts 12 et 13 sont commandées par un électro-aimant ou relais 14, par exemple. On doit naturellement comprendre qu'à ce double-inverseur mécanique peut être substitué, quand de besoin pour l'exploitation pratique, un commutateur magnétique ou électronique selon toute disposition connue en elle-même.
L'un des ensembles de connexions sur les bagues 9 à 11 est constitué de frotteurs, l'autre de prises fixes. Si, par exemple, les bagues sont mécanique ment solidaires du rotor, ce sont les connexions de liaison aux inverseurs 12 et 13 qui sont constituées par des frotteurs, et inversement si les bagues sont fixes.
On considère la position représentée comme posi tion de départ. Alors, si les contacts inverseurs 12 et 13 sont amenés en position basse, les prises 4 et 5 sont alimentées et le rotor tourne d'un pas de 900 électriques dans le sens de la flèche. Les prises 4 et 5 viennent prendre les places des prises 6 et 7 qui, elles, sont amenées aux anciennes positions des prises 5 et 4. La position atteinte est stable tant que les contacts 12, 13 restent inchangés. Quand les arma tures de ces contacts changent de position, les prises 6 et 7 sont alimentées, les prises 4 et 5 ne le sont plus et la machine avance d'un pas dans le même sens ; et ainsi de suite à chaque actionnement des contacts de commutation de l'alimentation.
Le dis positif de commande du relais ou de l'électro-aimant 14 ne fait pas partie de la machine proprement dite, étant donné qu'il peut être subordonné à tout pro gramme d'actionnement du relais défini par l'équipe ment dans lequel sera utilisée la machine.
Il est évi dent que le relais peut ou non être périodiquement excité ou peut l'être de façon irrégulière dans le temps sans que cela modifie le processus d'avance qui vient d'être exposé: le moteur avancera d'un demi-pas polaire à chaque inversion des contacts de ce relais, et il est évident qu'une commutation des polarités de l'alimentation pourrait de plus être assu rée par l'insertion de contacts inverseurs additionnels entre les armatures des contacts 12 et 13 et les pôles de la batterie, si on désirait pouvoir commander des pas de sens différents pour la machine.
Outre la fig. 1 déjà décrite, la description sui vante se refère aux autres figures jointes, qui mon trent diverses formes d'exécution de la machine selon l'invention, données à titre d'exemple.
Les fig. 2 et 3 sont des vues de l'une et l'autre face du rotor d'une première forme d'exécution.
Les fig. 4 à 7 montrent différentes coupes de variantes d'exécution pratique d'un tel rotor.
La fig. 8 est une vue d'une face d'un rotor sui vant une variante de celui des fig. 2 et 3.
Les fig. 9 et 10, d'une part, les fig. 11 et 12, d'autre part, sont des vues schématisées en demi-face et de dessus, de machines tournantes comprenant des rotors conformes aux fig. 2 et 3 et à la fig. 8, respec tivement.
Les fig. 13 et 14 montrent, en demi-vues de face et en coupe, le rotor d'une autre forme d'exécution et la fig. 15 montre, en demi-vues de face, et les fig. 16 et 17, en coupe suivant deux variantes, le rotor d'une autre forme d'exécution.
Pour l'exécution de ces machines, le bobinage rotorique à réaliser peut être de différents types. Dans une machine tournante du type rappelé ci-des sus et ayant un bobinage rotorique de distribution régulière sur son disque , on peut utiliser une forme de bobinage du type ondulé-série, ou une forme de bobinage du type imbriqué, comme décrit dans le brevet No<B>353071.</B>
Un bobinage du type imbriqué sera ici avanta geux au point de vue suivant : en prenant un nom bre de spires, donc de conducteurs de bobinage, égal à un multiple entier du nombre de paires de pôles de la machine, il sera possible de définir un nombre de positions d'arrêt d'avance pas à pas régulièrement distribuées sur 3600. En contrepartie, il sera préfé rable d'établir autant de paires de balais, pour les positions d'arrêt, qu'il y a de pôles magnétiques dans la machine.
Un bobinage du type ondulé-série sera moins avantageux à ce point de vue car le nombre de con ducteurs sera obligatoirement différent d'un tel mul tiple, d'une unité au moins par face de demi-bobi- nage. Une position d'arrêt au moins présentera donc une discontinuité de symétrie vis-à-vis des autres. Ceci toutefois sera d'importance d'autant plus réduite que le nombre de spires du bobinage sera plus élevé. En contrepartie, l'utilisation d'un bobinage ondulé- série sera avantageuse en ce qu'alors il suffira de deux paires de balais pour la commutation.
En outre, on pourra alors réduire également le nombre de pai res de pôles magnétiques effectivement matérialisés sur l'inducteur et ceci jusqu'à n'en conserver qu'une seule paire si désiré.
L'exemple choisi pour l'exposé qui va suivre est une machine à huit pôles. Dans les schémas des fig. 2 et 3, le bobinage du rotor est à soixante-quatre spires, il y a donc soixante-quatre conducteurs de demi-spires par face du bobinage. Ces conducteurs sont imprimés , c'est-à-dire constitués par des conducteurs plats adhérant à une surface diélectrique de support. Les technologies de formation de tels ensembles de conducteurs sont trop connues en elles- mêmes pour qu'il soit utile de les rappeler ici.
En considérant plus particulièrement la fig. 2, on voit que chaque conducteur de bobinage comporte une partie 21 sensiblement radiale, prolongée de part et d'autre par des parties inclinées ou incurvées, 22 à l'extérieur et 23 à l'intérieur. Chaque partie 22 aboutit à un plot périphérique 24, chaque partie 23, à un plot périphérique intérieur 25. Les plots 24 sont décalés d'une demi-largeur de conducteur vis- à-vis des parties radiales 21 des conducteurs, les plots 25 concordent au contraire avec ces conducteurs. Pour soixante-quatre spires, le pas polaire est de huit spires.
L'autre face du bobinage, voir fig. 3, est iden tique à la première mais les conducteurs 22 et 23 sont d'inclinaisons inverses par rapport à celles des mêmes conducteurs sur la première face ; ces demi- bobinages sont montés en concordance de conduc teurs radiaux et de plots d'extrémité. Les plots en regard sont réunis par des ponts conducteurs d'inter connexion, tels qu'indiqués en 26 et 27 sur les cou pes des fig. 4 à 7.
L'inclinaison des parties 22 est telle qu'un pas polaire soit franchi de tout conduc teur d'une face au conducteur de la face opposée au quel il est relié et l'inclinaison des parties 23 est telle que, de ce conducteur de face opposée, le bobinage soit ramené au conducteur de la première face qui suit celui de départ ; en d'autres termes, on peut dire que dans ce bobinage, le passage d'une face à l'autre par l'extérieur s'effectue de huit en huit con ducteurs, le retour s'effectuant de sept en sept con ducteurs, d'où l'obtention de l'imbrication désirée des spires du bobinage ;
en d'autres termes encore, en numérotant 1, 3, 5, ... les conducteurs d'une face, et 2, 4, 6, etc., les conducteurs de l'autre face (le conducteur 2 se trouvant en regard du conducteur 3, et ainsi de suite), on passe du conducteur 1 au con ducteur 16, on revient au conducteur 3 et ainsi de suite.
Sur l'une des faces du bobinage et en même temps que les conducteurs et plots d'extrémité de ce bobinage, ont été formées deux séries de segments conducteurs, 28 et 29, selon deux circonférences dis tinctes. Chaque segment couvre un peu plus d'un demi-pas polaire, pour tenir compte de l'épaisseur radiale des balais qui coopèrent avec ces segments et, naturellement, les deux rangées de segments 28 et 29 sont décalées l'une sur l'autre d'un demi-pas polaire dans leurs connexions radiales à des plots du bobinage (de huit en huit plots en chaque rangée de segments), connexions assurées par des extensions radiales de ces plots. Dans l'exemple montré, les segments sont disposés sur le pourtour extérieur du bobinage, mais on pourrait les prévoir sur le pour tour intérieur si désiré.
Huit paires de balais 30-31 coopèrent avec ces segments. Ces paires de balais sont espacées d'un pas polaire et sont disposées sur les bissectrices des axes radiaux de symétrie des pôles inducteurs, ce qui est évident d'après le schéma de la fig. 1. On voit clairement cette disposition sur la vue en demi-face de la fig. 9 et, dans cette figure, de plus, on a indi qué les interconnexions entre les balais de ces paires et les contacts des inverseurs 12 et 13. Sur la fig. 9, la partie du rotor qui est visible et porte le bobinage, non représenté en détail, est désignée par la réfé rence 20.
Sur la vue en plan de dessus de la machine de la fig. 10, le rotor complet est désigné par la réfé rence 50, et les aimants permanents (pastilles) for mant la couronne de pôles magnétiques dont la moi tié est visible sur la fig. 9, sont supportés par une plaque de montage supportant aussi les balais et désignée par la référence numérique 51. Bien en tendu, le montage du stator est purement illustratif et on pourrait aussi bien utiliser une forme d'aimant autre que circulaire, ou bien des pôles inducteurs comprenant des électro-aimants alimentés par un courant constant.
Le fonctionnement d'une machine telle que celles de la fig. 9 ou de la fig. 11 peut s'exposer comme suit: l'électro-aimant 14 n'étant pas alimenté en courant, on suppose l'établissement de ce courant d'excitation ; alors les contacts viennent dans leurs positions de droite sur le schéma et les balais 31 sont alimentés par le circuit de batterie 15 ; en supposant ces balais dans la position montrée sur la fig. 2 par rapport au rotor, ce rotor va tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre jusqu'à ce que les balais 31 se trouvent au-dessus de parties isolantes de la couronne extérieure de segments 29.
L'ampli tude de la rotation est donc d'un demi-pas polaire et le rotor n'étant plus alimenté la rotation s'arrête. Le moteur demeure dans cette position tant que l'élec tro-aimant 14 demeure excité. Lorsque cet électro aimant 14 est désexcité, les contacts 12 et 13 retom bent sur leur position de gauche sur le dessin, et ce sont les balais 30 qui sont alimentés par la batterie 15. Le moteur se remet à tourner, dans le même sens, d'un demi-pas polaire puis s'arrête lorsque les balais 30 arrivent sur des parties isolantes de la cou ronne intérieure ; et ainsi de suite. Bien entendu, la commande de l'électro-aimant 14 est indépendante de la disposition du moteur qui ne fait qu'y réagir, comme décrit, à chaque changement de condition, excité ou désexcité, du relais 14.
Cependant, il sera avantageux d'assurer un amortissement du déplace ment du rotor au voisinage de chaque position d'ar rêt. Pour cela, on a indiqué, sur la vue de la fig. 3, un disque conducteur 32, en cuivre ou aluminium, plaqué (avec interposition d'isolant bien entendu) contre la face arrière du bobinage. Ce disque est découpé de seize fenêtres rectorales, d'axes radiaux décalés entre eux d'un demi-pas polaire.
Chaque fenêtre a une ouverture angulaire un peu supérieure, par exemple, au quart du pas polaire et son axe radial est centré sur un axe de position d'arrêt de balais (sur la face opposée du rotor). Ainsi, lorsque la machine tourne d'un pas, les courants de Fou cault circulant autour des fenêtres assurent l'amor tissement du mouvement du rotor, tant au départ qu'à l'arrivée, d'une position stable à la suivante.
La disposition des fig. 2 et 3 correspond en fait à la vue en coupe du rotor montrée sur la fig. 4. Dans cette fig. 4, on voit un empilage comprenant un élément 20-33 correspondant à un demi-bobinage et aux jeux de segments de commutation de la fig. 2, les parties conductrices étant formées sur une feuille isolante mince 34 sur l'autre face de laquelle est formé l'autre demi-bobinage 35 ; ce demi-bobi- nage 35 est revêtu d'une feuille mince isolante 36 sur l'autre face de laquelle est appliqué le disque mince d'amortissement 32.
On a de plus indiqué en 37 une plaque (disque) d'un matériau assurant la rigidité de l'ensemble et qui est, de préférence, ma gnétique, et non conductrice. Une colle thermodur cissable 38 est moulée en 38 pour consolider l'assem blage et servir d'appui pour les segments 33 sur les quels portent les balais.
En variante, selon la coupe de la fig. 5, le disque d'amortissement 32 peut être mis en sandwich entre les deux demi-bobinages, si désiré.
Les deux rangées de segments de commutation 33 peuvent aussi, fig. 6 et 7, être établis sur le demi- bobinage arrière du rotor. Les fig. 6 et 7 correspondent, en un tel cas, aux dispositions des fi-. 4 et 5. D'autres variantes encore pourraient être établies, quant au montage du rotor tel que défini par les schémas qui précèdent (balais sur des segments dont les surfaces libres sont orientées vers l'arrière par rapport à l'in ducteur, demi-bobinages sur un support rigide ma gnétique intercalaire faisant office du disque 37, et ainsi de suite).
Pour les besoins de la commutation, il est évi demment avantageux de pouvoir réduire à deux le nombre de paires de balais. Ceci peut effectivement être réalisé en prenant un bobinage ondulé-série, mais alors, comme dit, il est nécessaire d'accepter une légère asymétrie d'au moins une position d'arrêt vis-à-vis des autres, puisque le nombre de conduc teurs par face d'un bobinage ondulé-série, en d'au tres termes, le nombre de spires d'un tel bobinage est forcément impair. C'est ce que montre, en un exem ple illustratif directement dérivé du précédent, la vue du demi-bobinage et des segments de commutation de la fig. 8. Il s'agit d'un bobinage à soixante-cinq spires pour huit pôles.
La disposition de la fig. 2 demeure inchangée à part le fait qu'à l'emplacement indiqué en 39 il y a quatre plots 24 au lieu de trois, intervalle normal, entre les connexions aux segments 28 et 29 adjacents à cet intervalle. Egalement, il n'y a plus que deux paires de balais 30-31 en deux em placements distants d'un pas polaire et, à cet effet, on peut aussi se référer aux vues des fig. 11 et 12.
Les parties inclinées intérieures 23 des conducteurs ont, naturellement, une même direction d'inclinaison que les parties extérieures inclinées 22 et les plots intérieurs 25 sont en coïncidence angulaire avec les plots extérieurs 24 et non plus avec les parties radia les 21 des conducteurs.
En reprenant la notation sus dite des conducteurs sur l'une et l'autre face du rotor (cette autre face porte un bobinage identique mais topologiquement retourné bien entendu, les parties radiales des conducteurs et les plots étant en coïnci dence d'une face à l'autre du bobinage), d'un con ducteur quelconque numéroté 1 sur une face, on passera au conducteur 18 de l'autre face et on re viendra au conducteur 33 de la première face, et ainsi de suite.
Outre que l'acceptation d'une asymétrie d'au moins une position d'arrêt vis-à-vis des autres, de moins en moins importante au fur et à mesure que croît le nombre de conducteurs effectif du bobinage, permet une réduction à deux paires du nombre des balais nécessaires à l'avance pas à pas, l'emploi d'un bobinage du type ondulé-série permet également, quand on le trouve avantageux, de réduire le nombre de paires de pôles magnétiques du stator. Sur les schémas des fig. 11 et 12, on a montré une telle machine dans laquelle il n'a été conservé qu'une paire de pôles magnétiques. Le fonctionnement de cette machine est indiquée à celui de la machine de la fig. 9.
En effet, il est bien connu que, dans une machine dont le rotor est du type ondulé-série, on peut supprimer des paires de pôles à volonté puis que chaque conducteur atteint par un balai assure l'alimentation d'une spirale complète jusqu'à l'autre balai tout autour du rotor. Ceci demeure vrai pour une machine à entrefer annulaire plat. On doit noter d'ailleurs qu'il n'est pas nécessaire, dans ce cas, d'établir les paires de balais à des emplacements liés à ceux des pôles magnétiques réels puisque les posi tions polaires sont en fait déterminées par le bobinage, puisque devant tout pôle réel il existe à tout instant une spire alimentée dans la spirale formée par le bobinage ondulé-série sur le rotor.
Dans une ma chine à grand nombre de pôles cependant, il sera plus avantageux d'en conserver plus d'une paire et, à simple titre illustratif, dans une machine à dix- huit pôles le réalisateur en a conservé trois paires.
Au lieu d'établir les rangées de segments conduc teurs sur une seule face du bobinage, il est bien en tendu possible, comme montré aux fig. 13 et 14, de réaliser une rangée de segments sur chaque face du bobinage. On est en effet libre de monter des balais des deux côtés du rotor ce qui, d'un certain point de vue, est même avantageux en ce que ces balais en regard, équilibrent leur pression réciproque, de sorte que-la rigidité du rotor est moins impérative. En un tel cas, bien entendu, le rotor peut ne comporter aucune plaque de culasse magnétique, laquelle peut être disposée, avec un entrefer, du côté du rotor opposé à l'inducteur, si de besoin.
Pour éviter d'avoir à accroître le diamètre exté rieur du rotor, ce qui serait le cas même si les ran gées de segments étaient disposées au centre du bobi nage et non plus sur sa périphérie, on peut établir les rangées de segments sous la forme de deux couron nes imprimées sur un diélectrique mince et dispo sées par-dessus les couronnes de plots des demi-bo- binages. Les connexions aux conducteurs requis du bobinage s'effectuent soit à travers ce diélectrique soit par-dessus son bord, comme connu dans la technique d'assemblage des circuits du genre imprimé et similaires.
Cette disposition est montrée sur les figures 15 et 16 et, à la fig. 17, on a montré une variante de cette disposition consistant à préformer deux disques ajourés d'amortissement 321 et 322 sur les mêmes supports diélectriques minces 361 et 36<B>2</B> que les rangées de segments de commutation 28 et 29. Cette dernière disposition permet, au point de vue pratique, d'établir d'abord normalement le bobi nage du rotor et de monter ensuite, de part et d'au tre du bobinage, les deux rangées de segments et les deux disques d'amortissement aux positions d'arrêt.
En particulier, on doit noter qu'il a été dit en relation avec la fig. 1, que les bagues pouvaient être fixes et les prises des bobinages être reliées aux ba gues par des frotteurs, à l'inverse de la disposition considérée dans les exemples qui précèdent dans les quels les bagues , c'est-à-dire les rangées de seg ments conducteurs, étaient portées par le rotor et connectées directement aux conducteurs du bobinage. On peut établir ces rangées de segments sur le stator de la machine et des frotteurs peuvent être montés sur le rotor pour se déplacer sur ces rangées de seg ments. La plaque rigide du rotor dans les fig. 4 à 7, lorsqu'elle est prévue, peut servir de support à ces frotteurs ou balais.
Lorsque le rotor ne comprend que le bobinage et les disques d'amortissement, ces frot- teurs peuvent être supportés par son moyeu, les ran gées de segments se situant alors en regard, sur des couronnes de plus faibles diamètres.