Moteur électrique, pour pièce d'horlogerie
Jusqu'à maintenant, lorsqu'on a cherché à réaliser un moteur électrique de très petites dimensions, par exemple un moteur électrique susceptible d'être logé dans une pendulette ou meme dans une montre, on a eu recours en général à une disposition dans laquelle le circuit magnétique cu moteur comprenait deux pièces polaires embrassant le rotor chacune sur un arc atteignant presque 180" et réunies l'une à l'autre par un élément en matière ferro-magnétique à faible rémanence ayant souvent une forme en fer à cheval et autour duquel le ou les bobinages statoriques étaient enroulés.
En général le rotor était constitué par un aimant permanent de forme cylindrique à aimantation diamétrale et
I'enroulement statorique était alimenté, soit en courant alternatif, soit en courant pulsé de façon à entretenir les mouvements du rotor.
On connaît déjà des moteurs électriques dont le rotor effectue des mouvements oscillants et qui sont construits selon le type rappelé ci-dessus. Les pièces polaires sont alors disposées de façon non symétrique, de sorte qu'en l'absence de courant dans le bobinage statorique, le rotor prend spontanément une orientation préférentielle. Celle-ci est déterminée, dans certains moteurs connus, par des becs qui s'étendent plus près de la surface du rotor que le reste des pièces polaires. Lorsqu'on envoie une impulsion de courant dans le bobinage statorique, le rotor pivote autour de son axe pour venir se placer dans une position symétrique par rapport aux pièces polaires, alors que lorsque l'impulsion de courant cesse, il revient dans la position préférentielle déterminée par lesdits becs polaires.
Les moteurs construits de cette façon, qu'ils tournent toujours dans le même sens, c'est-à-dire qu'ils soient alimentés en courant alternatif ou en courant formé d'impulsions alternatives, ou qu'ils soient à fonctionnement oscillant, présentent tous des inconvénients dus aux pertes magnétiques entre les pièces polaires. L'entrefer ne peut pas être constant sur le pourtour du rotor, puisque les deux pièces polaires doivent être distinctes l'une de l'autre et qu'il doit, par conséquent, subsister un espace entre elles. De ce fait, pour que le démarrage soit assuré, il faut que le couple exercé sur le rotor par le flux magnétique passant entre les pièces polaires soit suffisant pour vaincre le couple qui tend à le ramener dans l'orientation préférentielle, couple qui doit luimême être supérieur à celui dû à l'hétérogénéité de la forme de l'entrefer.
Si les pièces polaires sont très rapprochées l'une de l'autre et que leurs becs sont massifs, une partie du flux magnétique passe en dehors du rotor, ce qui équivaut à une perte; si, en revanche, les pièces polaires tout en étant très rapprochées l'une de l'autre présentent des semelles de largeur réduite, elles atteignent le point de saturation et le moteur fonctionne par conséquent avec un mauvais rendement.
Pour remédier à ces inconvénients, on a déjà réalisé des moteurs électriques à rotor à aimant permanent et à bobines statoriques sans noyau dans des cas où l'on désirait obtenir une puissance mécanique rotative ou oscillante de faible valeur dans un volume aussi réduit que possible. Ainsi, on connaît déjà un moteur dont le rotor est logé à l'intérieur de l'espace laissé libre par une paire de bobines galbées sans noyau qu'entoure un cylindre de fermeture du champ. Un moteur de ce genre peut être réalisé de façon à consommer en fonctionnement permanent une puissance de quelques mW. Toutefois, la réalisation de bobines galbées sans noyau dans des dimensions extrêmement réduites présente des difficultés constructives presque insurmontables.
On connaît, d'autre part, un moteur destiné à fonctionner pas à pas sous l'effet d'impulsions de courant parcourant les bobines statoriques et dont le stator comporte une pièce de fer disposée selon un angle différent de 900 par rapport à l'axe des bobines de façon à créer une orientation de repos privilégiée. Un moteur de ce genre peut fonctionner en régime oscillant ou en régime pas à pas. Les bobines statoriques sont entourées d'une pièce tubulaire à fortes pertes par hystérèse qui amortit le mouvement du rotor mais qui dissipe également une partie de la puissance consommée.
La présente invention a pour objet un moteur électrique pour pièce d'horlogerie, comprenant un rotor à aimantation permanente, un enroulement statorique dont les spires sont entièrement contenues dans des plans parallèles à un plan de symétrie de l'enroulement passant par l'axe du moteur et un support d'enroulement rigide en matière non magnétique s'étendant entre le rotor et l'enroulement, ce dernier étant destiné à être excité par des impulsions de courant motrices.
Son but est de perfectionner encore la construction des moteurs de petite puissance en créant un agencement capable d'assurer l'entraînement d'un équipage mobile mécanique tel qu'un rouage ou éventuellement un dispositif à ancre, en consommant une puissance électrique nettement inférieure à 1 mW, ce moteur étant construit dans des dimensions de l'ordre de 6 mm en diamètre et de 5 mm en longueur axiale et pouvant fonctionner aussi bien en régime oscillant qu'en régime pas à pas ou qu'en régime permanent à vitesse angulaire au moins approximativement constante.
Pour cela, le moteur selon l'invention est caractérisé en ce que les paliers du rotor sont solidaires dudit support, et en ce qu'une culasse de forme circulaire en matière ferro-magnétique à faible rémanence est disposée autour de l'enroulement, le stator étant agencé de façon qu'en l'absence de courant le rotor prenne spontanément une orientation préférentielle différente de celle du plan de symétrie de l'enroulement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution du moteur selon l'invention.
Les fig. 1 et 2 sont des vues en coupe axiale et en plan de dessus de la première fonne d'exécution.
Les fig. 3 et 4 sont des vues semblables de la seconde forme d'exécution, et
les fig. 5 et 6 sont des vues semblables de la troisième forme d'exécution.
Le moteur représenté aux fig. 1 et 2 comprend un rotor 1, pièce cylindrique en ferrite ou en un alliage de platine et de cobalt ou encore en alliage Ticonal , à aimantation diamétrale, pourvue d'une ouverture centrale dans laquelle est chassé un arbre 2.
Selon la nature du matériau choisi pour constituer l'aimant permanent 1, le rotor sera caractérisé par une très forte rémanence ou par un champ coercitif élevé. Le choix de l'une ou l'autre solution dépendra des dimensions du rotor et de l'utilisation prévue.
Au lieu d'être percé d'une ouverture centrale que traverse l'arbre 2, l'aimant 1 pourrait également être porté par des tourillons munis à leur base d'un disque de fixation grâce auquel ces tourillons seraient collés au centre des faces frontales de l'élément cylindrique plein constituant l'aimant permanent du rotor.
Le cas échéant, les pivots du rotor pourraient également être taillés directement dans le matériau ferromagnétique à forte rémanence, qui constitue le rotor.
Sur l'une des extrémités de l'arbre 2, est en outre chassé un pignon 3.
Le rotor constitué des pièces 1, 2 et 3 est monté dans un bâti en laiton constitué d'un corps 4 et d'un flasque 5. Le corps 4 a la forme d'un récipient cy lindrique à fond plat présentant une encoche 4' sur l'un des côiés de son fond de façon que l'espace interne du récipient soit accessible de l'extérieur afin de permettre la mise en prise avec le pignon 3, d'une roue dentée absorbant le couple moteur développé par le rotor.
Le flasque 5 de forme circulaire porte deux goupilles 6 diamétralement opposées qui s'engagent dans des ouvertures correspondantes pratiquées dans le bord de la paroi latérale du corps 4 de façon à assurer le positionnement du flasque par rapport au corps de bâti. Ce po sitionnement doit être réalisé avec suffisamment d'exactitude pour que le rotor soit maintenu dans une position coaxiale au bâti. A cet effet, le flasque 5 présente une ouverture centrale circulaire 7 dans laquelle est chassé un palier 8 constitué d'une pierre d'horlogerie percée et recevant le pivot de l'arbre 2 situé du côté opposé au pignon 3.
Une ouverture 9 semblable à l'ouverture 7 est pratiquée dans le fond du corps 4 et reçoit la pierre 10 qui constitue le palier opposé au palier 8.
Les paliers 8 et 10, au lieu d'être réalisés en pierre synthétique comme des paliers d'horlogerie, peuvent aussi être constitués par des bouchons métalliques ou par des paliers autolubrifiants en matière plastique.
Le bâti du moteur pourrait aussi être réalisé en aluminium, sa surface étant dans ce cas, munie d'une couche de protection par un procédé tel que l'éloxage, par exemple. Il pourrait aussi être en plexiglas ou en une autre matière synthétique telle que le PVC, le téflon, ou toute autre matière diélectrique ou métal amagnétique.
Autour du corps de bâti 4 est engagée une culasse 11, anneau circulaire de profil rectangulaire dont la hauteur est légèrement supérieure à la longueur du corps cylindrique 1. Cette culasse est en fer pur Armco ou éventuellement en un acier présentant de bonnes propriétés magnétiques notamment une faible rémanence et une bonne perméabilité. La culasse 11 est ajustée sur la face latérale externe du corps de bâti 4 et appuie contre la partie périphérique du flasque 5. Elle est munie de deux ouvertures taraudées diamétralement opposées dans chacune desquelles est engagée une vis 12 également en fer pur Armco ou en métal ferro-magnétique à faible rémanence.
Des perforations radiales 13 et 14 pratiquées dans la paroi du corps 4 au droit des em- placements des vis 12 permettent, lorsqu'on visse ces vis dans la culasse 11 de laisser les extrémités internes de ces vis faire saillie à l'intérieur de la face interne de la culasse. Le rôle de ces vis sera expliqué plus loin.
Le bâti du moteur décrit présente encore une gorge de profil rectangulaire 15 qui est taillée dans les faces externes de la paroi latérale du fond du corps 4 ainsi que du flasque 5. Le plan médian de cette gorge continue qui fait tout le tour du bâti du moteur contient l'axe du rotor. On voit à la fig. 1 que la gorge 15 passe au-dessus des ouvertures 7 et 9 qui contiennent les paliers 8 et 10. C'est dans cette gorge qu'est logé l'enrou- lement statorique 16 du moteur décrit. Cet enroulement est réalisé en fil de cuivre très fin à isolant émail ou thermoplastique et ses extrémités sont reliées à des bornes d'alimentation (non représentées). On voit au dessin que le bobinage 16 est ramassé sur lui-même.
Son épaisseur détermine la largeur de l'entrefer entre la face interne de la culasse il et la face latérale externe du corps cylindrique 1. En effet, dans la paroi latérale du corps 4, la gorge 15 ne laisse subsister entre son fond et la face interne de sa paroi que l'épaisseur de métal juste nécessaire à supporter la bobine.
Le bobinage 16 est mis en place une fois que le montage du bâti a été réalisé, c'est-à-dire après que l'on a posé le flasque 5 sur le corps 4. Si nécessaire, on prendra soin de lubrifier les paliers de l'arbre 2 avant d'effectuer la mise en place du bobinage puisque le moteur n'es pas démontable une fois que le bobinage est en place.
Le fonctionnement du moteur décrit est le suivant: comme déjà mentionné en cas d'absence de courant dans le bobinage 16, le rotor s'oriente de façon que son axe magnétique soit dirigé dans la direction déterminée par les vis 12, 12'. Il suffit pour cela que ces vis dépassent d'une quantité extrêmement faible de la face interne de la culasse. Un faible dépassement suffit en effet à créer la dissymétrique nécessaire dans la répartition du champ magnétique autour du rotor pour que celui-ci soit soumis à un couple qui l'amène dans la position d'énergie minimum.
On remarque que la culasse 1 1 est orientée, par rapport au bobinage 16, de façon que l'axe déterminé par les vis 12 coïncide avec la direction pour laquelle le bobinage 16 exerce sur le rotor 1 le couple maximum. Il suffit donc d'envoyer une impulsion de courant dans le bobinage 16 pour que le rotor soit sollicité en rotation dans un sens ou dans l'autre. Si l'impulsion de courant est de longue durée, le rotor vient se placer dans une orientation teile que son axe magnétique est perpendiculaire au plan du bobinage 16. Selon le sens du courant, le pôle nord se trouvera à droite ou à gauche de la fig. 2. Lorsque l'impulsion de courant cesse, le rotor est attiré spontanément vers la position de repos déterminée par l'axe 12, 12', et cela en suivant le chemin le plus court.
Si la seconde impulsion envoyée dans le bobinage
16 est de même polarité que la première, le rotor est sollicité de façon à reprendre la position qu'il occupait lors de l'impulsion précédente. Une suite d'impulsions de même polarité détermine donc un mouvement oscillant entre l'orientation déterminée par l'axe 12, 12', et celle qui est déterminée par un plan perpendiculaire au bobinage 16.
Si, en revanche, les impulsions de courant qui sont envoyées dans le bobinage 16 sont de polarités alternées, le rotor vient occuper à chaque impulsion une position orientée diamétralement par rapport à la position précédente. Les positions de repos qu'il prend entre les impulsions sont elles aussi périodiquement alternées, de sorte que le moteur tourne en régime saccadé, mais toujours dans le même sens en rotation lorsque la fréquence des impulsions est lente. Pour une fréquence élevée, le régime du moteur est continu et s'apparente à un fonctionnement synchrone. Le bobinage peut aussi être alimenté en courant alternatif sinusoïdal ou par d'autres formes de courant périodique.
Les formes d'exécution représentées aux fig. 3 à 6
sont en principe réalisées de la même façon.
Dans la seconde forme d'exécution visible aux fig. 3
et 4, le pignon 3 est également logé dans le fond du
corps 4. Au lieu d'une échancrure en forme de segment
de cercle, on a pratiqué dans la paroi latérale du corps
4 une fente 17 dont l'épaisseur est légèrement supérieure
à celle du pignon 3.
La culasse 1 1 est disposée comme dans la première
forme d'exécution et le flasque 5 ne diffère de celui de
la première forme d'exécution que par la présence de la
portée de centrage 18 qui pénètre à l'intérieur de la paroi
du corps 4.
Cependant, dans la forme d'exécution des fig. 3 et 4, la largeur de l'entrefer est plus réduite que ce n'est le cas dans la première forme d'exécution. Ce résultat est obtenu par le fait que le bobinage 16, au lieu d'être ramassé comme dans la première forme d'exécution, est étalé sur un arc de cercle relativement grand. La gorge 15 dont le fond est incurvé selon la courbure du rotor est moins profonde que dans la première forme d'exécution, de sorte que l'on peut réduire l'épaisseur de la paroi du corps 4.
Cette disposition permet de réduire les pertes dans l'entrefer mais diminue également le couple maximum exercé sur le rotor puisque le bobinage est moins concentré. Elle oblige également à orienter l'axe des vis 12, 12' selon un angle plus grand, par rapport au plan du bobinage, que ce n'était le cas dans la première forme d'exécution.
Enfin, dans la troisième forme d'exécution représeli- tée aux fig. 5 et 6, le logement limité par le corps de bâti 4 présente les dimensions du rotor 1, 2. L'une des extrémités de l'arbre 2 traverse le palier métallique 19 qui est fixé dans l'ouverture centrale du fond du corps 4 et fait saillie à l'extérieur du bâti. Le pignon de prise de force (non représenté) sera donc monté à l'extrémité de l'arbre 2, en dehors du corps 4. Le corps 4 et le flasque 5 ferment entièrcment l'enceinte dans laquelle le rotor est contenu. Le palier 19 est accessible de l'extérieur et il en est de même du palier 20 qui est monté dans l'ouverture centrale du flasque 5. La culasse 11 est également de forme circulaire et elle est montée comme dans les deux formes d'exécution précédente.
En revanche, la troisième forme d'exécution diffère des précédentes par la disposition du bobinage. Comme l'arbre 2 traverse le fond du bâti 4, le bobinage ne peut plus être disposé autour des paliers. Pour cette raison, on a scindé le bobinage en deux parties 21 et 22 qui sont disposées parallèlement l'une à l'autre de chaque côté de l'arbre 2. Les gorges 23 et 24 qui reçoivent ces deux
bobinages passent dans le fond du corps 4 ainsi que dans sa paroi latérale et dans le flasque 5.
Là également, l'axe de repos déterminé par les vis
12, 12' doit être suffisamment décalé par rapport au plan médian du bobinage pour que lors de l'enchenchement d'une impulsion de courant, le rotor soit soumis à un couple suffisant.
L'avantage des moteurs décrits ci-dessus est que les pièces en matière ferro-magnétique qui conduisent le flux magnétique ne comprennent rien d'autre que la culasse extérieure 1 1 qui présente une symétrie axiale quasiment parfaite si l'on fait abstraction des vis 12, 12' et le corps cylindrique du rotor. Comme le bobinage ne comporte pas de noyau, il suffit de créer une très légère dissymétrie de champ magnétique au moyen des vis 12,
12' pour assurer la position préférentielle du rotor en cas d'absence de courant. La force nécessaire pour arracher le rotor à cette position préférentielle lors du démarrage est donc très faible et cette circonstance confère au moteur décrit la capacité de démarrer très facilement sous l'effet d'une impulsion de faible puissance.
Malgré la présence d'un entrefer relativement grand,
puisqu'il doit être suffisant pour contenir les conduc
teurs longitudinaux du bobinage et un élément de sup
port en matière amagnétique qui est réalisé dans des
formes d'exécution décrites par le fond de la gorge 15, le
fonctionnement des moteurs décrits s'est révélé être très
régulier. La puissance absorbée ne dépassait pas quel
ques mW.
On a pu réaliser des moteurs dont le rotor présente un diamètre-de 3 mm et dont le diamètre extérieur de la culasse était de 6 mm, la hauteur totale dans le sens axial étant inférieure à 5 mm. De tels moteurs sont capables de tourner sous l'effet d'impulsions convenables à une vitesse comprise entre 50 et 100 tirs.
Les moteurs décrits conviennent donc particulièrement pour les applications horlogères. Les dimensions sont compatibles avec celles d'une montre-bracelet. Cependant, les dimensions et la puissance de ces moteurs peuvent être augmentées si on le désire tant que les problèmes d'échauffement restent négligeables.
Notons encore que les deux pôles représentés par les vis 12 et 12' pourraient également être réalisés par deux goupilles ou autres éléments en fer Armco ou en acier présentant de bonnes propriétés magnétiques faisant saillie à l'intérieur de la culasse. On peut également éviter l'emploi de tels éléments saillants en donnant à la face interne de la culasse une forme non circulaire, par exemple une forme présentant des méplats ou encore au moyen d'un coup de pointeau.