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L'invention a pour objet un moteur à courant alternatif
du type synchrone conc~u pour avoir une inertie rotorigue parti-
culièrement faible et au repos, un coup]e de rappel vers une
parmi plusieurs positions d'éguilibre stable, ce gui le rend par-
ticulièrement apte aux services cycligues et au fonctiDnnement
pas à pas. La conception de ce moteur n'entraîne aucune limi~
tation en ce gui concerne sa puissance utile. Il peut être réa-
lisé de manière à tourner lentement, sans adjonction d'un réduc-
teur de vitesse extérieur.
Le brevet canadien No. 656.182 accordé le 22 janvie~ 1963
aux noms de Claude ROSAIN et Georges STE~BATCHEFF, pour :1'Moteur
lent à courant alternatif" décrit un moteur du type synchrone
dans le~uel une faible inertie rotorigue est obtenue grâce au
fait gue le rotor roule sans glissement sur un chemin de roule-
ment solidaire du stator et, de ce fait, ne subit pas de rota-
tion rapide autour de son propre axeO Ce moteur ne permet donc
d'obtenir ~ue des mouvements lents par rapport à la pulsation
du champ tournant et pose, par ailleurs, du fait des vibrations
engendrées par le mouvement hypocycloldal, des problèmes de sus-
pension délicats.
Le circuit magnétigue de son stator présente nécessai-
rement~la particularité d'être agencé pour que le champ tournant
soit déphasé de 180 antre les deux entrefers gue comportent les
extrémités respectives du rotor, ce gui éloigne sa construction
de celle des circuits magnétigues traditiomlels. Enfin7 l'égui-
librage d'un tel moteur ne peut être obtenu gu'au prix d'arti-
fices gui en compliguent la réalisationO
L'invention se propose de s'affrancllir de ces incon-
vénients en utilisant un circuit magnétigue statorigue de type
traditiom1el engendrant un champ tournant de même direction aux
deux extrémités du rotor, et en maintenant, au moyen d'au moins
- 1 - ~.
~l~25a~z~
une pièce excentrigue par rapport à l'arbre du moteur, une incli-
naison constante de l'axe du rotor par rapport à celui du stator,
si bien ~ue le rotor ef~ectue un mouvement conigue~
Il résulte de ce mouvement conigue ~u'~me inertie roto-
rigue particulièrement ~aible est obtenue et gue, compte tenu du
~fait gue le circuit magnétigue présente, par ailleurs~ une symé-
trie de révolution, le moteur comporte plusieurs positions défi-
nissant un entre~er minimum et par conséguent, un éguilibre
stableO
Le moteur suivant l~invention comporte donc un rotor
et un stator dé~inissant entre eux un entre~er à cha~ue extrémité,
ayant un axe de révolution et un centre de symétrie commun à
l'intersection de ces deux axes 7 un bobinage statori~ue alimenté
et agencé pour engendrer un champ tournant de même direction dans
les deux entre~ers et des moyens de polariser magnétiguement avec
des signes contraires les deux extrerllités du rotor et est carac-
térise par des mo~ens de maintenir à une valeur constante l'in-
clinaison de l'axe du rotor par rapport à celui du stator et de
convertir le mouvement conigue du rotor ainsi obtenu en une ro-
tation de l'arbre du moteur.
Suivant un premier mode d~exécution, lesdits moyens
comportent au moins une pièce excentrée par rapport à l'arbre
du moteur et coopérant avec une rotule dont la cage extérieure
est solidaire de la sur~ace du rotorO
Suivant un second mode d'exécution, lesdits moyens
comportent au moins un pignon ou une roue centré sur l'arbre du
moteur et coopérant avec une couronne solidaire de la sur~ace
du rotor, ledit pignon et ladite couronne ayant ~me sur~ace co-
nigue dont le som~et colncide avec ledit centre de symetrie,
l'axe de la couronne étant incliné par rapport à l'arbreO
~g~
Les diverses particularités, ainsi ~ue les avantages de
l'invention, apparaltront clairement à la lumière de la descrip-
tion ci-apres.
Au dessin annexé :
La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un moteur
conforme au premier mode d'exécution de l'invention, ~ue
La figure 2 représente en coupe transversale;
La figure 3 représente le détail d'une rotule à billes
~ui sert à l'entralnement de l'arbre par le rotor;
La figure 4 est un diagramme des champs et des ~orces
d'attraction destiné à illustrer le fonctionnement du moteur;
La figure 5 représente schémati~uement une variante de
réalisation d'un moteur conforme au premier mode d'execution;
La figure 6 représente schémati~uement le rotor d'un
moteur conforme au second mode d'exécution;
~a figure 7 représente schélmati~uement le ro-tor d'am
motealr conforme à unè variante de réalisation de la figure 6, et
~ La figure 8 représente schémati~uement le rotor d'un
moteur con~orme à une varianie du second mode d'exécution~
Aux figures 1 et 2, on a représenté un moteur comportant
un stator 1 ayant un axe de symétrie hori~ontal X'X et, sur cet
axe, un centre de symétrie C~ Ce stator loge un rotor 2 ayant
le même centre de symétrie C et un axe de symetrie 0'0 ~ui fait
am angle constant et faible CC (de préférence inférieur à 4) avec
l'axe X'X. Les moyens de maintenir le centre de sy~étrie du rotor
au point fixe C et d'obtenir le mouvement coni~ue du rotor~ c'est-
à-dire de limi.ter llangle ~ comportent, dans le mode d'exécution
décrit~ une rotule lisse ou une rotule à billes comportant une
cage à portée sphéri~ue 3 centrée en C, montée sur la cage c~lin-
3 dri~ue 21 du rotor, dans wn plan perpendiculaire à l'axe 0l0 et
gui coopère a~ec ~me cage 4, solidaire d'une pièce annulaire 11
du stator et ayant également une portée spllérigue.
Le stator est muni, à une extrémité, d'un flasgue 12
gui porte ~m palier rigide à roulement 13, leguel supporte un
arbre 5 axé sur X'X.
Cet ar~re est solidaire d'un excentrigue 6, lui-meme
supporté à l'intérieur de la cage 21 par un roulement à billes
à rotule 7.
On a représenté, à la figure 3, l'excentrigue 6, de
forme circulaire et centré en un point E de l'axe 0'0 situé à
une distance EK = CE sin ~ de X~7 Le roulement 7 comporte une
cage extérieure 71 à portée sphérigue centrée en E solidaire de
la cage 21 et une cage intérieure 72 solidaire de la périphérie
de l'excentrigueO L'angle ~ a été très exagéré à la figure 30
Revenant à la figure 1, on voit gue le rotor est muni
à ses extrémités de deux épanouissements polaires 22 et 23 de
surface extérieure coni~ue, le demi-~mgle au sommet du c8ne étant
égal à C .
A la ~igure 2, on voit gue le profil des toles du sta~
tor ~orme à cha~ue extrémité guatre poles 140~ 141, 142, 143 dont
l'extremité a la forme d'une portion de cylindre axée-sur X'X.
Ainsi, au cours de la rotation de l'axe 0'0 autour de ~'X~ se
présentent guatre positions du rotor pour les~uelles il existe,
entre chague épanouissement polaire et l'un des pôles du stator,
un entrefer minimum de longueur constante. Aux figures 1 et 2,
cet entrefer minimum se présente entre le pole 140 et l'épanouis-
sement polaire 22. Sa longueur par exemple égale à 0,4 mm, a été
très exagérée au dessinO
Dans un mode d'exécution préféré, le circuit magnéti~ue
du moteur comprend des aimants permanents constitués de "tuiles"
ou secteurs portés par le statorO Ces aimants sont au nom~re de
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~uatre à cha~ue extrémité du stator dans l'exemple décrit, et
désignés par les numéros de ré~érence 150 à 153 et 160 à 163.
Ils sont aimantés radialement, les poles Nord étant par exemple
sur leur surface extérieure pour les aimants 160 à 1~3 et sur
leur sur~ace intérieure pour les aimants 150 à 153. Ces aimants
sont fixés de part et d'autre de la pièce annulaire de support 11,
laguelle est centrée en C et constituée en matière amagnétigue.
Ils sont entour~s d'une culasse annulaire 17 en matière magné-
tigue douce.
A cha~ue extrémité du stator, un empilage de tôlesma-
gnétigues (18 et 19 respectivement) est logé à l'intérieur des
aimants et fixé sur une ~ace de la pièce 11. On voit, à la ~igure
1, ~ue chague empilage a la même largeur ~ue les aimants corres-
pondantsO Quatre bobines telles ~ue 8, 9 entourent les ~uatre
pôles.
La cage et les épanouissements polaires du rotor sont~
dans le mode d'exécution decrit, en matière magnéti~ue douceO
On va maintenant expliguer le ~onctionnement du moteur
décrit se référant à la ~igure 4.
Lors~ue les bobines sont parcourues par un courant al-
ternati~ polyphasé, un champ tournant H identigue à celui gui
serait produit par un aimant tournant à la vitesse W autour de
l'axe X'X ( ~ étant la pulsation du courant) est engendré dans
chacun des entre~ers. Par ailleurs, le rotor est polarisé par un
champ magnéti~ue ~iæe, fourni par les aiman-ts.
Il résulte de cette polarisation ~ue des forces d'at-
traction se manifestent entre le stator et les épanouissements
polaires du rotorO La résultante de ces forces est, à chague eæ-
trémité du rotor,-appliguée au centre (G, G' respectivement) des
masses magnéti~ues réparties à cette extrémité (c'est-à-dire en
un point de l'axe 0'0) et dirigée radialement vers la position
variable de l'entrefer minimumO Soient ~o et F'o les deux résul-
tantes (figure 4)0 On peut montrer gu'elles font, avec la direc-
tion du champ H, un angle de retard ~ gui croît avec le couple
résistant exercé sur l'arbre 5 du moteur.
Le champ H exerce de son coté des forces d'attraction
dont les résultantes Fl et F'l, appliguées en G et G~ respecti-
vement, sont parallèles à H et dirigées en sens inverse l'une de
l'autreO Chacune de ces résultantes Fl et F'l peut être décom-
posée en deux forces, dont l'une est dirigée suivant Fo (ou res-
pectivement F'o) et l'autre suivant la normale à Fo (ou respec-
tivement F'o). Les deux forces Fl cos ~ et F'l cos ~ ainsi ob-
tenues s'ajoutent respectivement à Fo et F'o pour former un cou-
ple tendant à faire basculer le rotor : ce couple est annulé par
la réaction de la cage 71 sur l'excentrigue et l'angle OC est
a:insi maintenu à une valeur fixeO
Les deux forces Fl sin ~ et ~'1 sin e forment un
couple gui tend à faire tourner G et G' (c'est-à-dire les cen-
tr~s de symétrie des deux extrémités du rotor : figure 1) autour
de l'axe X' X, à la vitesse an~ulaire ~ .
2C L'axe du rotor effectue donc un mouvement conigue, de
demi-angle au sommet ~ , autour de l'axe X'X. L'excentrigue 6
est donc lui-meme entralné à la vitesse ~ autour de X'X.
On notera gue la géométrie du moteur est telle gue le
rotor définit, au cours de son mouvement conigue, autant de posi-
tions correspondant à un entrefer minimum gue le stator comporte
d'épanouissements polaires (à savoir, ~uatre dans l'exemple dé
crit)O Il en résulte gue le moteur possède plusieurs positions
d'é~uilibre stable. Lorsgue le moteur est arrêté, un couple de
rappel le ramène à la position d'éguilibre stable la plus procheO
Une autre propriété remarguable du moteur décrit est le
très faible moment d'iner-tie du rotorO Comme celui-ci ne tourne
~a2~
pas sur lui-même (ou, éventuellement, tourne à une vitesse très
faible), son moment d'inertie se réduit, pour chague tranche élé-
mentaire de son volume perpendiculaire à son axe, à celui gui
correspond à la rotation de la masse de cette tranche supposée
concentrée en son centre de gravité G, autour de l'axe X' ~.
On montre finalement gue 17inertie totale du rotor est égale à
1/3 M (L/2 sin o~)2~ L étant la longueur du rotorO Cette guanti-
-té est très faible, compte tenu de la faible valeur de Q~
Grace aux propriétés gue l'on vient d'énoncer, le moteur décrit
sera particulièrement bien adapté à un fonctionnement en pas à pas.
Par ailleurs, le rotor, du fait de sa symétrie par rap-
port au point C, est parfaitement éguilibré et n'engendre donc
aucune vibration mécanigue. Pour tenir compte de la masse de 1l-
excentrigue, on dispose à l'extrémité opposée de la cage 21, une
masselotte annulaire d'éguilibrage 2~ igure 1).
Comme les forces Fl et F'l sont proportionnelles au
produit du champ tournant par le Elw~ continu dans l'entrefer, et
col~le l'amplitude H ne peut dépassar une valeur co~lpatible avec
l'échauffement admissible du moteur, il est intéressant de donner
au flux continu une ~aleur aussi élevée gue possible. Ce résultat
est obtenu en conférant aux aimants une grande surfaceO
A titre d'exemple, en utilisan-t des tôles de stator et
des aimants normalisés, la disposition décrite permet d'obtenir
une surface d'aimants double de celle de l'entre~er~ Or, la
surface d'un aimant torigue placé dans le rotor ne serait ~ue le
tiers de celle de l'entrefer, donc l'induc-tion obtenue serait
finalement six fois plus faibleO
On notera par ailleurs gue9 dans la disposition décrite~
le flux continu se ferme suivant le trajet représenté en trait
plein à la figure 1, tandis gue le flux alternatif se ferme
suivant le trajet représenté en poin-tillé à la figure 2, sans
-- 7 --
traverser les aimants (dont la reluctance est très élevée). Il
n'a donc pas tendance à démagnétiser les aimants, ce ~ui est un
avantage supplémentaire.
Pour ces diverses raisons, la disposition représentée
aux figures 1 et 2 sera le plus sou~ent préférée en prati~ue~
Cette disposition n'est cependant pas limitativeO
Dans le mode d'exécution décrit, le centre C du mou-
vement du rotor est matérialisé par une rotule. A titre de va-
riante, l'on pourrait supprimer cette rotule (3, figure 1) et
remplacer la masselotte (24) par un deuxième excentri~ue 6 a,
coopérant avec un deuxième roulement à billes à rotule 7 a (res-
pectivement identigues aux organes 6 - 7 de la figure i). L'arbre
5 traverserait alors complètemen-t l'intérieur de la cage rotori~ue
et serait supporté par de~lx paliers rigides, portés par deux
flasgues du statorO Une telle disposition a été représentée sché
matiguement à la figure 5. Bien entendu, les deux excentri~ues 6
et 6 a doivent être symétrigues par rapport au point C, c'es-t-à-
dire ~ue leurs centres sont situés de part et d'autre de l'axe
XX' et à égale distance de celui-ci.
A la ~igure 6, on a représenté un rotor comportant
une cage 21 ~ui loge, à ses extrémités respectives, deux couron-
nes 25 ~ 26 symétri~ues par rapport à C et dont la surface interne
est ùne portion d'un cône centré en C, ayant pour axe 0'0 et un
demi-angle au sommet ~ 0 Le moteur comporte un arbre 5 ~ui tra-
verse complètement le rotor et est supporté par deux paliers
dont sont munis les flasgues du stator (non figuré). L'arbre 5
porte deux pigons 27 - 28 symétrigues et de surface conigue
centrée en C, ayant pour axe XX' et un demi-angle au sommet
(~ - ~). Le rotor comporte par ailleurs deux épanouissements
polaires 22 - 23, ayant la même forme ~ue ceux de la figure 1
et coopérant de la même manière avec un stator identigue à celui
9~Z~
du moteur de la figure S (lui-même identi~ue, aux paliers de sup-
port de l'arbre près, à celui des figures 1 et 2).
Le mouvement coni~ue du rotor autour de l'axe X'X est
donc identi~ue à celui du rotor de ces moteurs~
Les couronnes 25, 26, au cours de ce mou~ement coni~ue
du rotor, entraînent les pignons 27 et 28 avec les~uels elles
sont constamment en contact suivant une génératrice du cône de
demi~angle ( ~
On peut montrer ~ue la vitesse angulaire de rotation
de l'arbre 5 est, par rapport à la vitesse angulaire ~ , di-
visée par le rapport ~ sin ~ ~ _ CC)
~ sin ~ - sin (~ _CX)
L'arbre 5 étant supporté par deux paliers rigides, ne
peut évidemment pas subir de translation et la coopération des
pignons 27 et 28 avec les couronnes 25 et 26 a pour effet de
fixer le centre C de mouvement du rotor et de limiter le bas-
culementO Le rotor aurait, par contre, tendance à tourner autour
de son propre axe à cause de la réaction au couple résistant. Ce
mouvement doit être blo~ué, ce ~ui est obtenu au moyen d'une tige
29, solidaire du stator et dont l'extrémité coopère avec l~évi-
dement 30 gue comporte une bague 31 fixée sur la périphérie du
rotorO Llévidement 30 a une largeu.r (dimension suivant une direc-
tion perpendiculaire au plan de la figure) à peine supérieure au
diamètre de la tige, ce ~ui interdit toute rotation du rotor
autour de 00'. Par contre, la longueur de l'évidement, (dimension
dans la direction 00') est suffisante pour autoriser le mouvement
coni~ue du rotor~ --
On notera ~ue l.'on pourrait, à titre de variante, ren-
dre le pignon solidaire de la surface extérieure du rotor et la
couronne solidaire du s-tator.
On notera également ~ue, dans le dispositif de la
figure 6, le centrage du rotor au point C n'est obtenu ~ue par
_ ~ _
l'éguilibr~ des forces magnetigues dû a la symétrie de la struc-
ture. Dans ces ~onditions, les couronnes 25 - ~6 et les pignons
ou roues 27 - 28 seront avantageusement lisses, l'entraînement
étant réalisé par ~rottementO S'ils étaient dentés, pour un
couple résistant trop élevé, il pourrait en effet se produire un
décrochage entre les dentures. En e~et, le couple de basculement
décroît lors~ue le déphasage entre l~entrePer minimum et H aug-
mente.
Dans la variante de la figure 7, où les mêmes numéros
de référence désignent des numéros de référence homologues à ceux
de la ~igure 6, le centre C est au contraire, fixé par une rotule
33 - 34~ analogue à celle de la ~igure ln Par ailleurs si, à une
extrémité du rotor~ on retrouve bien la couronne 26 et le pignon
28 de la ~igure 6, à l'autre extrémité, ils sont remplacés par
une rotule à billes 35 - 360 La cage inférieure 36 n'étant pas
excentrée par rapport à X'Xj cette rotule n'assure pas l'entraî-
nement de l'axe 5. Par contre9 la cage extérieure 35, étant centrée
sur 0'0, est donc excentrée par rapport à l'arbre 5, de manière
à assurer le maintien de l'angle Cc , ce qui évite le décroche-
ment du pignon 280 La masse de la cage 35 éguilibre celle de
la couronne 260
Lléntra~nement de l'arbre est assuré par la coopération
du pignon 20 et de la couronne 26, de pré~érence dentés, a~ant
évidemment des dentures de m8me moduleO
Le rapport de réduction est le meme ~ue dans le moteur
de la ~igure 60
Dans la variante de la figure 8, on retrouve la rotule
centrale 33 - 34 gui assure la ~ixation du point C et la rotule
à cage extérieure excentrée 35 - 36, destinée à maintenir l'an-
gle ~ , mais la rotation du rotor 21 sur lui-même n'est pas
bloguée. La coopération d'une couronne coni~ue 32, de demi~angle
' ~ , .
B
au sommet ~ ', solidaire de la cage 21, avec une couronne 377
solidaire du sta*or et de demi-angle au sommet ~ ' - C, a pour
ePfet d'imposer au rotor, en plus de son mouvement coni~ue autour
de l'axe X'X provo~ué par l'action des forces magnéti~ues, un
mouvement de rotation lent autour de son propre axe 0'0, dont
la vitesse angulaire est divisée par rapport à W , par le
rapport sin ~ ' - C~
sin ~ i _ sin (~ ' - C~'~
Ce mouvement de rotation autour de 0'0 est converti en
un mouvement de rotation autour de l'axe X'X à vitesse plus réduite
par la ¢oopération d'une couronne 38 solidaire de la cage rotori-
~ue 21 et d'un pignon 39 solidaire de l'arbre 5, ces deux organes
38 - 39 ayant une surface coni~ue de demi-angle au sommet ~
différent de ~' et les axes des couronnes 32 et 38 étant con-
fondus avec 0'0.
On peut montrer ~ue la vitlesse de l'arbre est, par
rapport à ~ , multipliée par ~ = sin ( ~ __ Cc). ~in ~ _ 1
sin ~' sin (~ _o~)
A titre d'exemple~ pour ~ = 30, ~' = 45 et
= 3, on trouve ~ = o , o46s .
Il va de soi ~ue les modes d'exécution décrits et
représentés ne sont pas limitatifs. Le rotor pourrait en parti~
culier, 8tre extérieur au stator.
~"'~
