Brevet FR2063130A1 — publié le 19710709

La présente invention concerne un servomoteur du type torsiomètre destiné à être utilisé dans un servomécanisme a équilibre à zéro utilisé pour positionner un dispositif de commande en réponse a la réception d'un signal» Ce servomoteur 5 convient particulièrement pour positionner des organes mobiles d'instruments indicateurs de la grandeur d'une quantité désirée» Les instruments, et en'particulier ceux utilisés sur les aéronefs, comportant des dispositifs d'affichage à aiguille ou à bande comportent fréquemment des servomécanismes 10 du type a aiguille de zéro pour les positionner sur l'organe indicateur de l'instrument en réponse à un signal de mesure reçu d'un transducteur convenable. Ces systèmes utilisent un servomoteur ou moteur générateur de couple pour entraîner l'instrument jusqu'à une position étudiée déterminée par un signal d'équili-15 brage reçu d'un potentiomètre suiveur entraîné par le moteur.. Pour obtenir un couple de commande suffisant d'un moteur générateur de couple d'un prix, d'un poids et de dimensions acceptables, il a été de pratique courante jusqu'ici d'utiliser un réducteur à engrenages entre le moteur et l'arbre de sortie. Ce réducteur aug-20 mente le poids et le prix mais aussi rend difficile la stabilisation du système en raison des effets provoqués par les inerties du réducteur et du moteur qui fonctionnent nécessairement à des vitesses élevées. La présente invention a pour objet un moteur 25 ou servomoteur générateur de couple développant pour un servomécanisme le couple nécessaire sans comporter de réducteur de vitesse tout en ayant les dimensions réduites, le' poids faible et la stabilité nécessaires pour les instruments commandés, et ne provoquant pas pendant la rotation des variations rapides du couple 30 risquant de provoquer un fonctionnement instable du servomécanisme o L'invention concerne aussi un moteur électrique générateur de couple fonctionnant en courant continu et comportant une structure fixe de champ magnétique et un rotor aiman-35 té0 Un commutateur solidaire d'un potentiomètre suiveur et comportant des bagues collectrices, est monté sur la carcasse fixe,et un ensemble tournant à balais entraîné par l'arbre du moteur vient en. contact avec le commutateur<> Le couple du moteur entraîne 1* arbre BAD ORIGINAL 70 27270 2 2063130 de sortie et le potentiomètre dans le sens des valeurs croissantes de l'échelle et un ressort exerce un couple antagoniste sur l'arbre dans le sens des valeurs décroissantes de l'échelle» L'appareil comporte des commutateurs doubles qui empêchent les 5 variations soudaines du couple du moteur qui auraient tendance à provoquer l'instabilité du servomécanisme dans lequel le moteur est utilisé» Le couple développé par le moteur est suffisant pour l'entraînement direct d'une aiguille ou d'une bande indicatrice sans utilisation d'un réducteur à engrenages» 10 Les caractéristiques de l'invention ressorti- ront plus particulièrement de la description suivante, donnée a titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective et en 15 coupe d'un moteur générateur de couple suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention ; la figure 2 représente schématiquement le potentiomètre suiveur, les bagues collectrices et le commutateur sous la fonre d'un ensemble du moteur de la figure 1 ; 20 la figure 3 représente schématiquement l'en semble des balais tournants ; la figure 4 représente schématiquement le mode de contact des balais sur le commutateur, les bagues collectrices et le potentiomètre ; 25 la figure 5 est une vue schématique en perspec tive du moteur de la figure 1 avec les connexions mécaniques et électriques d'un servomécanisme utilisé pour potionner l'aiguille d'un instrument en réponse à un signal de mesure ; les figures 6A, 6B et 6C illustrent schémati-30 quement la commutation du courant dans les enroulements d'excitation pendant la rotation des balais de la combinaison à balais doubles du co mmutateur ; la figure 7 représente des courbes du couple de moteur en fonction de l'angle pour une combinaison à balais 35 doubles par comparaison avec unè combinaison classique à balais ; et , les figures 8A et 8B représentent un servomoteur générateur de couple pouvant être utilisé pour l'entraînement de/l'élément indicateur du type à bande. BAD ORIGINAL 70 27270 3 2063130 Le servomoteur ou moteur générateur de couple de la figure 1 comprend unçéarcasse 10 supportant une structure cylindrique d'excitation magnétique, cette structure cylindrique comportant trois pièces polaires 12, 13 et 14, également 5 espacées angulairement et dépassant vers l'intérieur. Un rotor cylindrique en matière pour aimant permanent est monté sur un arbre 15 tournant dans des paliers convenables (non représentés) supportés par la carcasse 10o Pour rédire le poids et pour augmenter le couple du moteur, le rotor est de préférence en matière magnéti-10 que a force coercitive élevée et flux rémanent élevé» Une matière convenait particulièrement est un alliage contenant 7% d'aluminium, 14,5°o de nickel, 35% de titane, 34% de fer et 4,5% de cuivre, et qui est produit par la Général Electric Company sous la désignation Alnico 8. 15 Le rotor est aimanté suivant un diamètre, de sorte qu'il existe un pôle nord N sur un côté et un pôle sud S sur l'autre de la façon indiquée sur la figure 5e Les pièces polaires 12, 13 et 14 qui entourent le rotor portent des enroulements d'excitation 17, 18 et 19 qui sont de préférence connectés 20 en triangle au commutateur décrit ci-après. Une plaque fixe 20 comportant un trou central 21 est fixée- à une extrémité de la carcasse du moteur, et une extrémité 15a de l'arbre 15 du moteur traverse cette ouverture. L'autre extrémité 15b de l'arbre du moteur est utilisée pour entraîner 25 un dispositif commandé qui peut être de la façon représentée une aiguille 22 d'un instrument indicateur comportant un cadran avec une échelle fixe 23,, La plaque circulaire ou disque 20 est en matière isolante et des bagues collectrices en matière isolante con-30 centriques et isolées les unes des autres 25, 26 et 27, une résistance de- potentiomètre 24 et un commutateur en trois segments circulaires 28a, 28b, 28c sont solidaires du disque 20 de la façon représentée sur la figure 2» Une plaquette porte-balai 29 en matière isolan-35 te est fixée sur l'extrémité 15a de l'arbre du moteur, cette plaquette étant fixée à un moyeu central pour la fixation a l'arbre au moyen d'une vis 31o Plusieurs balais sont fixés sur le côté intérieur de la plaquette porte-balai et dépassent de celle-ci pour BAD ORIGINAL 70 27270 4 2063130 venir en contact électrique avec la résistance de potentiomètre 24, les bagues collectrices 25, 26 et 27 et le commutateur 28a La figure 3 représente le côté intérieur du porte-balais 29 sur lequel sont fixés trois balais 32, 33 et 34 5 fixés à la plaquette, par exemple par des rivets» Le balai 32 comporte deux branches cambrées élastiques portant à leurs extrémités des contacts 35 et 36, et chacun des balais 33 et 34 comportent trois branches élastiques avec des contacts 37, 38, 39 et 40, 41, 42» Les contacts peuvent être formés par des fils métalliques 10 fins soudés à l'étain ou autrement aux branches élastiques et il existe de préférence plus d'un fil métallique pour chaque contact pour assurer la continuité électrique sur la résistance, les bagues collectrices et le commutateur de la plaque 20. La figure 4 représente schématiquement en dé-15 veloppement les connexions électriques établies par les balais sur la résistance, les bagues collectrices et les commutateurs du por-te-balais 20« Sur la figure 4, les bagues collectrices 25, 26 et ?7, les segments 28a, 28b et 28c du commutateur et la résistance 24 du potentiomètre sont .représentés développés pour obtenir un 20 schéma plus clair. Les trois connexions pour le potentiomètre sont établies sur les bornes 43, 44 et 45, de sorte que les contacts 35 et 36 du balai 33 portant respectivement sur la résistance 24 et sur la bague collectrice 25 constituent le curseur du potentiomètre e|ûi est positionné par l'arbre faisant tourner le porte-ba-25 lais 29» La résistance 24 est de préférence en matière plastique conductrice moulée à coefficient de frottement faible mais permettant une variation entièrement onntinue» Une telle matière est produite, par exemple, par la New England Instrument Company, Natick, Massachusetts, Etats-Unis d'Amérique» 30 L'alimentation en courant continu est connectée aux bornes 46 et 47 et le courant circule dans les enroulements d'excitation 17, 18 et 19 connectés en triangle. Le courant passe de la borne 46 à travers la bague collectrice 27, les fils de contact 39 et 37 et 38 du balaj 33 vers les segments 28a, 28b et 28c du 35 commutateur, ces segments étant connectés respectivement aux points communs des enroulements connectés en triangle» Le courant sort des enroulements et du commutateur à travers la paire de contacts 40 et 41, le contact 42 du balai 34 et la bague collectrice BAD ORIGINAL 70 27270 5 2063130 26 vers lfaytre borne d'alimentation 47« Ainsi que le montre la figure 5, les contacts 37 et 41 et les contacts 38 et 40 sont diamétralement opposés, l'écartement angulaire entre les paires de contacts 40, 41 et 37, 5 38 étant indiqué par l'angle O . Quand l'ensemble comportant l'arbre du moteur et les balais solidaires tourne, le courant dans les enroulements dfexcitation du moteur subit une commutation par l'action du commutateur et il en résulte un champ tournant suivi par le rotor aiman-10 té pour un mouvement agissant à l'extérieur» Les balais doubles 37, 38 et 40,41 ont pour but de régulariser la caractéristique couple-angle du moteur et d'empêcher des gradients raides du couple pendant la rotation du moteur, ce qui aurait tendance à provoquer des à-coups, des dépassements de 15 course et une instabilité quand le moteur est utilisé dans un servomécanisme à boucle fermée. La commutation du courant par les contacts doubles dans les enroulements d'excitation en étoile est illustrée par les figures 6A, 6B et 6C0 Pour les positions des balais représentés sur 20 la figure 6A, les contacts 37 et 38 du balai 33 connectent les segments 28a et 288 du commutateur de façon que l'enroulement d'excitation 19 soit court-circuitéo Les contacts 40 et 41 dubalai 34 sont tous deux en contact sur le segment 28b, de sorte que la tension totale est appliquée aux bornes des enroulements 17 et 13. En sup-25 posant que la largeur angulaire de chaque segment du corn :utateur est légèrement inférieure à 120° en raison de l'isolant situé entre ces segments et que la distance angulaire entre les contacts d'un balai double (angle 0) est de 50°, cet état subsiste jusqu'à ce que la position représentée sur la figure 6B soit atteinte„ 30 Cette condition existe après environ 30° de rotation des balais dans le sens des aiguilles d'une montre® Pour cette position, la paire de contacts 37, 38 est en contact avec le segment 27c et la paire de contacts 40, 41 est en contact avec le segment 28bo Dans ces conditions, la tension totale est appliquée aux bornes de l'en-35 roulement 18 et les enroulements 17 et 19 sont en série,de sorte que la tension aux bornes de chaque enroulement est la moitié de la tension totale, et le courant dans ces enroulements est égal à la moitié du courant dans l'enroulement 18o II est facile de voir BAD ORIGINAL 70 27270 6 , 2063130 que pendant la rotation des balais, chaque enroulement d'excitation reçoit successivement la tension totale et le courant total, la moitié de la tension et la moitié du courant et aucune tension ni aucun courant du fait du court-circuit dans ce dernier cas» Il 5 en résulte un champ tournant pour' faire fonctionner le moteur» Dans le cas d'une combinaison de balais diamétralement opposés, la séquence de commutation par lë commutateur est la même sauf que la période pendant laquelle un enroulement est court-circuité et les deux autres reçoivent la totalité de la ten-10 sion et le courant maximal a lieu seulement pendant un temps bref au cours duquel le balai passe sur l'isolant situé entre les segments commutateurs voisins. Cela suppose que la largeur d'un balai est suffisante pour dépasser de l'isolant situé entre deux segments et pour connecter momentanément ces deux segments. Le balai double 15 augmente subtantiellement la plage des positions angulaires des balais pour laquelle un enroulement d'excitation est court-circuité et les deux autres reçoivent la totalité de la tension® Cela renforce considérablement la composante de champ provoquant le couple efficace du moteur parce que l'enroulement d'excitation court-circui-20 té ést près de la position dans laquelle il provoquerait une variation brusque du couple» Pour obtenir l'effet maximal de cette séparation angulaire d'une paire de contacts du balai, cette distance angulaire est de préférence choisie aussi importante que possible sans qu'il en résulte un court-circuit des bornes d'alimentation à 25 travers l'un des segments du commutateur» Pour le commutateur à trois segments représenté , ce court-circuit aurait lieu quand la distance angulaire de la paire de contacts du balai approche de 60°» Dans la pratique, de bons résultats sont obtenus avec des paires de contacts distants angulairement entre 45° et un peu moins de 60°, 30 par exemple 50° i 5° selon l'intervalle entre les segments du commutateur et les tolérances de fabrication» Ces balais doubles o.nt pour effet de régulariser la courbe couple-angle de la façon représentée schématiquement sur la figure 7» La courbe A représente la variation du couple dans 35 le cas de balais à deux contacts espacés d'environ 50°, et la courbe B représente la variation du couple dans le cas de balais à un seul contact chacun diamétralement opposés sur le commutateur d'une façon classique» I\ sera noté que les variations du couple indiquées BAD ORIGINAL 70 27270 7 2063130 par la courbe A sont relativement régulières, tandis que la courbe B indique des variations transitoires raides à des intervalles de 60° pendant la rotation du moteur» Ces pointes du couple ont lieu dans les plages angulairement étroites pour lesquelles les segments 5 du commutateur sont court-circuités par le passage d'un balai entre deux segments voisins» Ces pointes transitoires ont tendance à provoquer l'instabilité et des à-coups dans le servomécanisme, et en particulier quand il n'existe pas de réducteur de vitesse entre le moteur et l'arbre de sortie et quand le moteur agit en opposi-10 tion à la forGe de rappel d'un ressort antagoniste» Le balai double apporte un avantage supplémentaire, du fait qu'il réduit au minimum les étincelles aux contacts des balais en établissant un trajet supplémentaire pour la décharge des surtensions inductives des enroulements d'excitation, ce 15 qui permet une décroissance progressive duyéourant inductif. La figure 5 représente l"ut.ilisation du servomoteur dans un servomécanisme utilisé pour positionner l'aiguille d'un instrument indicateur* Dans ce cas, le moteur produit un couple pour entraîner l'arbre 15 et l'aiguille 22 dans le sens des 20 aiguilles d'une montre (c'est-à-dire vers les valeurs croissantes de l'échelle) et un ressort de rappel en spirale 43 dont une extrémité est fixée à la carcasse 10 et l'autre à l'arbre 15 produit un couple antagoniste tendant à entraîner l'arbre 15 en sens inverse des aiguilles d'une montre (c'est-à-dire vers le zéro de l'échelle)» 25 Une tension continue d'une source convenable 49 est appliquée aux bornes 46 et 47 à travers le collecteur 50 et l^metteur 51 d'un transistor de commande 52o Une tension de polarisation appliquée à la base 53 du transistor 52 par un amplificateur opérationnel 54 commande le passage du courant à travers le moteur et le transis-30 tor» Un signal de mesure sous la forme d'une tension E 54 opérationneircl'un type connu est caractérisé par une tension de BAD ORIGINAL 70 27270 8 2063130 sortie d'une polarité quand la tension appliquée à la borne d'entrée 55a est supérieure à la tension appliquée à l'autre borne d'entrée 55b, et par une tension de sortie de polarité opposée quand la tension appliquée à la zone d'entrée 55b est supérieure 5 à celle appliquée à la borne d'entrée 55ao Les polarités sont choisies de façon que quand le signal entrant est supérieur au signal apparaissant sur le curseur du potentiomètre, le transistor 52 devienne conducteur pour le passage du courant à travers le moteur afin que celui-ci entraîne l'arbre 15 et l'aiguille 22 dans 10 la direction des valeurs croissantes de l'échelle en opposition à l'action du ressort 48„ Quand une position d'équilibre déterminée par la tension sur le curseur du potentiomètre suiveur est atteinte, le couple du moteur est égal au couple du ressort et l'aiguille est arrêtée dans une position indiquant la quantité mesurée 15 représentée par la tension du signal Eg» Si la quantité mesurée et par suite la tension E,~ décroissent, la tension appliquée à la borgne d'entrée 55b de l'amplificateur^devient supérieure a la tension appliquée à la borne d'entrée 55a et le transistor 52 est bloqué, ce qui permet au ressort 48 de faire tourner l'arbre 15 et l'ai-20 guille 22 vers les valeurs inférieures de l'échelle jusqu'à ce que la tension du curseur du potentiomètre suiveur soit réduite à une valeur suffisante pour rétablir l'équilibre à une nouvelle position inférieure en fonction de la tension Es« En cas de coupure du courant d'alimentation, le ressort 48 entraîne l'aiguille 22 en 25 sens inverse des aiguilles d'une montre au delà de la position O jusqu'à une position "coupure" pour indiquer ainsi d'une façon sûre la disparition du courant d'alimentation» Pendant que le transistor est polarisé pour interrompre le courant à travers J.e moteur, il est désirable qu'il 30 existe ur. trajet de décharge pour l'énergie inductive emmagasinée dans les enroulements d'excitation du moteur» Dans ce but, une diode 56 est connectée entre les bornes 46 et 47 d'entrée du moteur et elle est connectée dans le sens voulu pour ne laisser passer que le courant résultant d'une force contre-électromotrice „ 35 Un moteur générateur de couple à courant continu selon l'invention fonctionne sans battement (c'est-à-dire âansfaépassement de course) quand il est utilisé dans un servomécanisme tel que celui décrit ci-dessus,, A titre d'exemple, un moteur peut produire un couple BAD ORIGINAL 70 27270 9 2063130 approprié, c'est-à-dire de 160 gcrn pour entraîner une aiguille d'instrument sans réducteur, ce moteur ayant un diamètr^/êxtérieur de 41 mm avec un rotor d'un diamètre de 15,9 mm, pesant 140 g et demandant seulement une puissance d'un watt, y compris les pertes 5 dans le circuit électronique. Les figures 8A et 8B sont respectivement une vue en élévation du côté avant et une vue en élévation et en coupe d'un instrument comportant un dispositif d'affichage à bande et qui est actionné par le moteur et le dispositif de servocommande 10 décrits ci-dessus«, Cet instrument comporte un cadran 57 ayant une fenêtre rectangulaire 58 permettant de voir une bande indicatrice 59 donnant une indication du type de celle d'un thermomètre à la séparation entre une partie blanche 60 et une partie sombre 61 de la bandeo La bande 59 passe autour de galets de guidage 62 et 63 15 entre le tambour 68 entraîné par l'arbre 15 du moteur et un tambour d'enroulement 69» Dans ce cas, le tambour 69 est rappelé par un ressort spiral 70 en sens inverse des aiguilles d'une montre suivant la représentation de la figure 8B pour maintenir la bande tendue et exercer une force de rappel vers le bas d'une façon ana-20 logue à l'action du ressort 48 de la figure 5« Les mouvements verticaux de la bande indiquent ainsi la valeur de la quantité mesurée en réponse aux variations du signal de mesure E,~0 En raison de son fonctionnement stable, de ses petites dimensions, du couple élevé, du poids réduit et de la faible consommation de courant, un moteur 25 selon l'invention convient bien pour l'entraînement des organes indicateurs du type à bande sans qu'il soit nécessaire d'interposer de réducteurs à engrenages, le moteur convenant aussi pour des instruments à aiguille et des instruments d'autres types ainsi que d'autres dispositifs devant être commandés„ 30 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant ■ d'autres variantes , sans que l'on sorte de son cadre. BAD OR'C'N'AL 70 27270 10 2063130 REVENDICATIONS 1 » Servomoteur générateur de couple, caractérisé par un rotor aimanté monté sur un arbre, une structure magné-5 tique d'excitation montée sur la carcasse du moteur et comportant des pièces polaires disposées autour du ifcotor, chaque pièce polaire portant un enroulement d'excitation , un commutateur supporté par la carcasse du moteur et comportant plusieurs segments commutateurs espacés angulairement, un ensemble a balais entraîné en 10 rotation par l'arbre et comportant deux paires de balais en contact avec les segments du commutateur sur les côtés diamétralement opposés de ces segments et deux bornes d'alimentation connectées respectivement aux paires de balais, les balais de chaque paire étant espacés angulairement l'un de l'autre d'une distance angulaire sen-15 siblement supérieure à la distance angulaire entre deux segments comrutateurs voisins pour réduire les variations soudaines du couple résultant de la commutation des bornes d'alimentation par rapport aux enroulements d'excitation pendant la rotation du rotoro 2o Servomoteur selon la revendication 1, carac-20 térisé en ce que la structure magnétique d'excitation comporte trois pièces polaires espacées angulairement de 120° et les enroulements d'excitation des pièces polaires sont connectées en étoile « 3» Servomoteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le commutateur est formé de trois segments,' cha— 25 cun d'un développement angulaire un peu inférieur à 120? et les points communs entre les enroulements d'excitation sont connectés respectivement aux trois segments commutateurs. 4o Servomoteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'écartement angulaire des balais d'une paire de 30 balais est supérieur à 45° et inférieur à 60°„ 5« Servomoteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'écartement angulaire des balai-s d'une paire de balais est approximativement égal, à 50°« 6o Servomoteur selon l'une des revendications 35 1 à 5, caractérisé par une plaque montée sur la carcasse pour supporter des bagues collectrices, les segments commutateurs et une résistance de potentiomètre disposés en cercles concentriques de matière conductrice de l'électricité, l'ensemble a balais étant bad original 70 27270 n 2063130 monté sur 1*arbre pour tourner avec celui-ci et cet ensemble portant plusieurs balais venant en contact avec les bagues collectrices, les segments commutateurs et la résistance du potentiomètre pour établir des contacts électriques tournants» 5 7. Servomoteur selon l'une des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que la structure magnétique d'excitation du commutateur et la résistance du potentiomètre sont supportés par la carcasse du moteur, et le rotor aimanté, l'ensemble à balais comportant des balais venant en contact avec le commutateur 10 et un curseur de potentiomètre venant en contact avec la résistance du potentiomètre sont montés sur l'arbre du rotor pour établir 9 sur le rotor un couple faisant tourner l'arbre dans le sens des valeurs croissantes d'une échelle jusqu'à une position définie déterminée par la position du curseur sur la résistance du potentio-15 mètre, un dispositif de rappel établissant un couple antagoniste pour entraîner l'arbre dans le sens des valeurs décroissantes de l'échelle» BAD ORIGINAL