Brevet FR2233030A1 — publié le 19750110

La présente invention se rapporte à une fraise de dentiste équipée d'un moteur électrique de très faible puissance. Jusqu'à présent, il était courant d'équiper les fraises de dentiste de moteurs à courant continu à collecteur à excitation en dérivation. Dans les moteurs de ce type, le stator engendre un champ magnétique d'intensité constante dans lequel est placé le rotor avec ses enroulements. Ces enroulements sont alimen tés en courant au moyen de balais en charbon et d'un collecteur mécanique. Les moteurs à courant continu à collecteur présentent l'inconvénient que ce dernier, ainsi que les balais sont sujets à usure. L'abrasion des balais salit les paliers, ce qui entraîne une usure prématurée de ces derniers. De plus, la friction entre les balais et le collecteur engendre de la chaleur qui doit être évacuée par une circulation d'air additionnelle. Si une telle circulation d'air n'est pas prévue, la vitesse de rotation du moteur doit etre fortement restreinte pour maintenir la quantité de chaleur produite dans des limites tolérables. Quand une charge relativement forte est imposée aux moteurs à collecteur à courant continu, la quantité totale de chaleur due aux pertes et produite dans l'enroulement du rotor et dans le collecteur, influe sur le rotor, dont la capacité thermique est, comme l'on sait, très petite. Or, l'évacuation de la chaleur par les roulements à billes du stator est ext.êmement faible. En conséquence, une évacuation supplémentaire de la chaleur ne peut être réalisée que par des mesures spéciales coûteuses, par exemple par une circulation forcée d'air de refroidissement.De plus, l'échauf- fement des enroulements rotatifs impose à ceux-ci des contraintes thermiques et mécaniques qui se traduisent par des balourds provoquant des oscillations et affectant les caractéristiques de fonctionnement du moteur. Un autre inconvénient des moteurs à courant continu à collecteur réside dans le fait que leur vitesse est proportionnelle à la tension appliquée. Or, lorsque la vitesse est relativement élevée apparaissent des difficultés de commutation ainsi qu'une augmentation de l'usure des balais. En conséquence, la vitesse de rotation maximale de ces moteurs s'en trouve limitée. La présente invention a pour objet une fraise de dentiste du type spécifié ci-dessus qui est conçue de façon å éviter les difficultés résultant de l'usure des balais et des collecteurs, ainsi que celles dues à l'échauffement de I'enroulement du rotor. De plus la vitesse de rotation de ce moteur électrique de très faible puissance doit être réglable dans des limites étendues et doit, notamment, pouvoir atteindre une valeur très élevée. Une telle fraise est essentiellement- caractérisée par le fait quElle utilise comme moteur électrique de très faible puissance un moteur asynchrone polyphasé qui est connecté à une source de tension électrique alternative dont la fréquence est supérieure à 50 Hz et est réglable. Dans le moteur asynchrone polyphasé, l'enroulement est monté de façon fixe dans le stator et engendre un champ tournant qui est transmis à un rotor en cage dtécureuil. Ce rotor est résistant du point de vue mécanique et peut être soumis à d'importantes contraintes thermiques. La chaleur qui est développée par les courants de Foucault dans les enroulements du stator du moteur asynchrone polyphasé est évacuée par la grande surface de son carter, de sorte qu'une circulation d'air additionnelle ne devient nécessaire que lorsque la charge du moteur est très importante. Les seules pièces encore soumises à l'usure sont les paliers qui fonctionnent en atmosphère propre et qui, de ce fait, ont une grande durée. La vitesse de rotation du moteur asynchrone polyphasé peut être réglée dans des limites étendues en agissant par une commande appropriée sur la fréquence de la source de tension alternative qui l'alimente. La vitesse maximale que le moteur peut atteindre n'est limitée que par la-qualité des paliers utilisés et par les paramètres qui imposent une limite à la fréquence élevée pouvant être produite. La source de tension alternative à fréquence variable peut, par exemple, être constituée par un groupe-moteur-génératrice connecté à un réseau de distribution alternatif, ou bien par un convertisseur de fréquence électronique. On peut, en outre, prévoir la possibilité d'équiper le stator du moteur asynchrone polyphasé de plusieurs enroulements commutables aux fins de variation de la fréquence. L'invention a également pour objet un montage pour régler la tension appliquée au moteur asynchrone polyphasé d'une fraise de dentiste en fonction de sa, charge, de façon à augmenter la tension appliquée à vide avec la charge, qui comporte un circuit de redreasement connecté à un réseau alternatif mono-ou polyphasé auquel est appliqué, en vue dû réglage de la tension, un signal de commande-qui est fonction de la charge dudit moteur asynchrone, et qui comporte également un onduleur, connecté à la sortie dudit circuit de redressement, composé d'éléments de commuta- tion commandés qui forment un pont polyphasé destiné à alimenter les enroulements de champ du moteur asynchrone avec une tension al alternative polyphasée correspondante. Un' montage du genre de celui-décriet ci-dessus est déjà connu. -Dans la technique des moteurs asynchrones, il est éga liement connu d'utiliser, pour produire un signal fonction de la charge d!ur tel moteur, une génératrice tachymétrique accouplée au rotor de celui-ci Toutefois, la nécessité de loger cette génératrice ta chymétriqùe dans la poignée de la fraise se traduirait par une aug- men-tation slndésirable des dimensions de celle-ciW Â cela s'ajoute qu'une telle génératrice est relàtivement coûteuse. D'autre part, dans les montages connus de ce genre, se rapportant aux moteurs asynchrones, on fait varier la tension pro portionnellementà la fréquencelorsque la vitesse de rotation du moteur doit pouvoir être modifiée entre des limites étenduesX -1e défaut de ce montage réside dans le fait que les pertes, qui sont fonction de la fréquence, augmentent, meAme å vide, en même temps que la fréquence ee qui se traduit par un plus grand échauffement du moteur. De même, par suite de l'influence de la fréquence, les couples relatifs maxima diminuent aux vitesses relativement élevées lorsque la fréquence varie proportionnellement à la tens'ion, car. les pertes d'énergie augmentent comme le carré de la fréquence. Or, l'adaptation de la tension d'alimentation du moteur aux divers etats de charge de celui-ci a pour but de minimiser constamment ses pertes. Ainsi la chaleur qui se développe dans le moteur est réduite à un minimum et son fonctionnement devient plus économique, cependant que le couple maximal est sensiblement augmenté. En conséquence, l'invention a également pour but de réa liser un montage tel que celui décrit ci-dessus de manière à pouvoir produire, sans moyens compliqués et encombrants, un signal qui, en raison de sa dépendance de la charge, as sur #'e meilleure adaptation de la tension d'alimentation du moteur aux différentes conditions de charge de celui-ci. La solution apportée par l'invention à ce problème réside en ce que chacun des éléments de commutation du pont polYpha- sé est ponté par un embranchement qui contient une diode de courant de retour et en ce que le signal de commande dépendant de la charge pour le circuit de redressement, est produit par le courant circulant dans, au moins, une desdites diodes de courant de retour, par suite de la dissipation de l'énergie magnétique accumulée dans les enroulements d'excitation du moteur asynchrone. On connaît un montage d'onduleur comportant des éléments de commutation (par exemple, des transistors ou des thyristors) da-ns lequel les éléments de commutation sont pontés par des diodes de courant de retour. -Ces diodes sont nécessaires-au fonctionnement de l'onduleur et pour développer un courant de retour venant du récepteur. Toutefois, un signal n'-est pas prélevé à ces diodes. Par ailleurs, on connaît, d'une manière très générale, un montage pour mesurer la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu de faible puissance comportant un rotor à aimants permanents et une commutation électronique dans lequel les premières bornes des diodes orientées dans la direction de blocage de la tension d'alimentation du moteur sont connectées aux enroulements du stator, les alternances des tensions induites dans les enroulements du stator par les aimants permanents du rotor étant prélevées à la seconde borne de ces diodes.A ia différence d'un moteur alimenté par un onduleur et dont les enroulements sont parcourus dans les deux sens par le courant, les enroulevents de ce montage connu ne sont traversés par le courant que dans une seule direction, un blocage de la tension d'alimentation résultant de la présence des diodes. Dans ce montage le signal qui est fonction de la vitesse, est toujours directement proportionnel à celle-ci, en raison de l'intensité constante du champ du rotor, ce qui permet de mesurer cette vitesse avec précision. Par contre, le montage de l'invention ne permet pas de déterminer la vitesse de rotation à l'intérieur de la gamme des fréquences de l'onduleur, (ceci n'étant d'ailleurs pas nécessaire), du fait que le signal utilisé est à la fois fonction de la charge et de la tension d'alimentation du moteur (laquelle, conformément à l'invention, est également fonction de la charge). La solution de l'invention est fondée sur le principe que l'énergie magnétique d'un moteur asynchrone se dissipe d'autant plus vite que le rotor de celui-ci est plus fortement chargé. Or, le courant de retour circulant à travers les diodes est fonction de la dissipation de cette énergie magnétique. D'autre caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin anne xe, dans lequel : - la figure 1 est un diagramme illustrant le fonctionnement dtun moteur asynchrone polyphasé sous différentes tensions d'alimentation - la figure 2 est un schéma d'un pont triphasé destiné à produire une tension alternative pour un moteur asynchrone triphasé et qui comporte un montage conforme à l'invention pour engendrer un signal de commande dépendant de la charge ; et - les figures 3a à 3c sont des diagrammes montrant l'allure des impulsions apparaissant à la résistance commune du montage de la figure 2 dans différentes conditions de charge du moteur. Les courbes caractéristiques représentées sur la figure 9 montrent la relation entre le couple maximal ou dtinflexion Mk et, partant, les conditions de charge d'un moteur asynchrone polyphasé, et sa tension d'alimentation EM. Sur cette figure, n désigne la vitesse de rotation, nO la vitesse de rotation à vide et Md le couple de celui. On remarque que le couple maximal o du moteur est d'autant plus grand que la tension alternative appliquée est plus élevée. D'autre part, plus la tensionçappliquée au moteur est élevée, plus celui-ci s'échauffe. Etant donné que sous de faibles charges, le couple maximal peut être petit, on a intérêt en vue de maintenir l'échauffement à un minimum, d'adapter la tension d'ali mentation du moteur à sa charge. Jusqu'à présent, ceci était réalisé à l'aide d'une génératrice tachymétrique accouplée au moteur, qui produisait un signal de commande fonction de la charge. Ce signal était utilisé pour commander un circuit de redressement connecté à un réseau alternatj et produisant une tension continue dont la grandeur variait conformément w1 signal de commande.Ce circuit de redressement était suivi d'un onduleur composé d'éléments de commutation commandés formant un pont polyphasé destiné à alimenter les enroulements de champ du moteur asynchrone avec une tension alternative polyphasée. Un tel pont est représenté sur la figure 2. On voit qu' il s'agit d'un pont triphasé. Il comprend six transistors T1 à T6, faisant fonction d'éléments de commutation, et qui sont commandés par un système d'impulsions non-représenté. Les transistors D1 à T6 sont branchés entre les bornes de sortie positive et négative du circuit de redressement. A ce pont triphasé sont connectés le-s trois enroulements de champ ou d'excitation Wl, W2 et W3 du moteur asynchrone triphasé 3. La figure 2 comporte, en outre, un tableau qui.montre l'ordre dans lequel les transistors sont conducteurs. Au premier temps, par exemple, les transistors T1 et T5 sont conducteurs, de sorte que le courant continu, partant de la borne positive, traverse le transistor T11 l'enroulement W3, l'enroulement Wt, et le transistor T5 pour revenir à la borne négative. Au second temps, ce sont les transistors Tt et T6 qui sont conducteurs, de sorte que le courant partant de la borne positive traverse le transistor l'enroulement W3, l'enroulement W2 et le transistor T6 pour revenir à la borne négative. Les transistors T1-, T2 et T3 représentés sur la figure 2 sont pontés par des diodes de courant de retour D1, D2 et D3. On voit qu'aux collecteurs des transistors T4, T5 et T6 sont connectées respectivement les diodes 1)4, D5 et D6. Les autres sorties des diodes D4, D5 et D6 sont reliées ensemble et aboutissent à l'une des extrémités d'une résistance-RO. L'autre extrémité de la résistance Rg est reliée à la borne négative. Les diodes de courant de retour D à D6 sont connectées dans le sens du blocage, par rapport à la tension continue. En parallèle sur la résistance Ro est branché un amplificateur figuré schématiquement par un transistor T7 et par les résistances R1 et R2. Au point A relié au collecteur des transistors T7 peut être prélevée une tension de commande dépendante de la charge qui est utilisable pour commander le montage de redressement mentionné ci-dessus, non représenté. Par ce moyen, il devient inutile d'utiliser une génératrice tachymétrique. Les diodes D à D6 permettent au courant qui, à l'instant de la déconnexion, circule dans l'un des enroulements de champ W1, W9, W3 de continuer à circuler dans la direction initiale, de sorte que l'énergie magnétique accumulée par l'inductance des enroulements d'excitation peut se dissiper. Au premier temps, pendant lequel les transistors T1 et T5 sont conducteurs, ceux-ci relient les enroulements de champ W1 et W3 à la source électrique continue. Au second temps, ce sont les transistors ? et T6 qui sont conducteurs de sorte que l'enrou- lement d'excitation n est déconnecté de la source électrique continue, la tension continue étant appliquée, à travers les transistors Ut et 6 aux enroulements de champ WS êt W3.L'énergie électromagnétique conservée dans l'enroulement de champ Wl déconnecté engendre maintenant un courant de suite qui circule dans la même direction que celui qui, au premier. temps, traversait ltenroule- ment W1 par suite de la tension continue qui lui était appliquée. Ce courant de suite part de ltenroulement d'excitation W1 et traverse la diode de courant de retour 2, le transistor conducteur et et l'enroulement de champ W3 pour revenir à l'enroulement W . On voit que dans ces conditions, aucune tension de commande ne se développe aux bornes de la résistance 20. Pendant le troisième temps, ce sont les transistors 22 et U6 qui sont conducteurs. De ce fait, ce sont les enroulements de champ W1 et W2 qui sont reliés à la source électrique continue, tandis'que l'enroulement W3 est déconnecté. L'énergie magnétique accumulée dans l'enroulement W3 produit maintenant un courant de suite qui circule dans la même direction que celui qui traversait, pendant le second temps, l'enroulement W3 sous l'action de la ten sion continue appliquée. Ce courant de suite part de de l'enroulement d'excitation W3 et traverse l'enroulement W2, le transistor conduc teur T6, la résistance R0 et la diode de courant de retour D4 pour revenir à l'enroulerent W3.On voit donc que pendant le troisleme temps, il se développe le long de la résistance Ro une tension de commande qui est appliquée à l'amplificateur formé par le transistor T7. Pendant le quatrième temps, les transistors T2 ét T4 4 sont conducteurs. De ce fait, la tension continue est appliquée aux enroulements de champ W1 et W3, tandis que l'enroulenient Wn est déconnecté. -L'énergie magnétique accumulée dans l'enroulement W2 engendre maintenant un courant de suite qui circule dans la même direction que le courant qui, pendant le troisième temps, traversait l'enroulement de champ W2 du fait de la tension continue qui lui était appliquée.Ce courant de-suite part de l'enroulement T2 et traverse la diode de courant de retour D3, le transistor conducteur T2 et-l'enroulement d'excitation W1 pour revenir à l'enroule- ment W2. On voit donc que pendant le quatrième temps, aucune tension de commande ne se développe le long dé la résistance Ro. Pendant le cinquième temps, les transistors-T3 et -T4 sont conducteurs. De ce fait, la tension continue est appliquée aux enroulements de champ W3 et W2, tandis que 1-' enroulement W1 est déconnecté. Ainsi, énergie magnétique accumulée dans l'enroulement W engendre un courant de suite qui circule dans là même direction que le courant qui circulait, pendant le quatrième temps, dans l'en roulement Wa par suite de la tension continue qui lui était alors appliquée. Ce courant de suite part de l'enroulement Wt, traverse l'enroulement W3, le transistor conducteur W4, la résistance Ro et la diode Dg pour revenir à l'enroulement W1.On voit ainsi que pendant le cinquième temps, une tension de- commande se développe aux bornes de la résistance Ro Pendant le sixième temps, il ne se produit pas de chute de tension le long de la résistance Ro ; par contre, pendant le premier temps, une tension sz développe à nouveau aux bornes de la résistance R . On voit donc qu'une tension de commande apparaît aux bornes de la résistance Ro à chaque second temps. Cette tension apparaît aux bornes de la résistance sous la forme d'impulsions. La forme des impulsions de commande qui se développent aux bornes de la résistance Ro est représentée sur les figures 3a à 3c. Sur la figure 3a, la charge reliée au moteur est normale, sur la figure 3b le moteur tourne à vide et sur la figure 3c, le moteur est calé. On voit que la somme de la tension de commande apparaissant aux bornes de la résistance Ro est d'autant plus faible que la charge du moteur est plus forte, c'est-à-dire, que savitesse est plus faible. On voit donc que la tension de commande est fonction de la charge du moteur. La composante ondulée des impulsions est due aux barreaux du rotor en cage d'écureuil du moteur asynchrone. Plus cette composante ondulae est forte, plus la régulation est lente. Lorsque le nombre des encoches du rotor est, par exemple, plus grand que celui des encoches du stator, les impulsions ne sont presque pas ondulées. Dans ce cas, l'élévation de la tension d'alimentation du moteur à sa valeur maximale interviendrait même dans le cas d'une augmentation légère de la charge. Or, une intervention aussi rapide de la régulation est indésirable car elle est liée à des oscillations excessives de la grandeur de réglage. En raison de l'augmentation de la consommaton d'énergie qui en résulte, il ne faut donc pas que la tension d'alimentation du moteur devienne maximale avant que sa charge soit maximale. Des essais ont montré qu'avec, par exemple, un stator à douze encoches et un rotor à dix encoches, ou avec un stator à vingt-quatre encoches ou un rotor à vingt-deux encoches, l'ondula- tion était suffisante. Par contre, avec un stator à douze encoches et un rotor à seize encoches, le facteur d'ondulation est presque nul. I1 est donc approprié de choisir le rapport entre le nombre N1 des encoches du stator et le nombre N2 des encoches du rotor de façon que les impulsions de tension apparaissant aux bornes de la résistance Ro présentent une forte composante ondulée superposée à une fréquence aussi élevée que possible. Les résultats satisfaisants ont été obtenus avec N2 = N1 - 2. REVENDICAIONS 1. Praise de dentiste comportant un moteur électrique de très faible puissance, caractérisée par le fait que ce moteur est un moteur asynchrone polyphasé connecté à une source de tension électrique alternative dont la fréquence est supérieure à 50 Hz et qui est réglable. 2. Fraise de dentiste selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la source de tension électrique alternative est constituée par un groupe moteur-génératrice connecté à un réseau électrique alternatif ou par un convertisseur de fréquence électronique. 3. Fraise de dentiste selon la revendication t ou 2, caractérisée par le fait que le stator du moteur asynchrone polyphasé comporte plusieurs enroulements commutables. 4. Fraise de dentiste selon l'une quelconque des reven dieatiom précédentes qui comporte également un onduleur connecté à la sortie dudit circuit de redressement composé d'éléments de commutation commandés qui forment un pont polyphasé destiné à alimenter les enroulements de champ du moteur asynchrone avec une tension alternative mono-ou polyphasée correspondante, caractérisée par le fait que chacun des éléments de commutation du pont polyphasé est ponté par un embranchement contenant une diode de courant de retour et en ce que le signal de commande dépendant de la charge pour le montage de redressement provient du courant circulant à travers au moins une desdites diodes de courant de retour par suite de la dissipation de l'énergiemagnétique accumulée dans les enroulements d'excitation ou de champ dudit moteur asynchrone. 5. Fraise de dentiste selon l'une quelconque des revendications t à 4 caractérisée par le-fait que l'onduleur comporte, en outre, un circuit de protection limitant l'intensité maximale du eourant du moteur. 6. Fraise de dentiste selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le rapport entre le nombre N1 d'encoches au stator et le nombre N2 d'encoches du r tmc est choisi de façon que le courant ou la tension utilisée comme valeur effective de vitesse présente une ondulation aussi forte Xae possible. 7. Fraise de dentiste selon la revendication 6, carac térisée par le fait que le rapport entre le nombre N2 d'encoches du rotor et le nombre N1 d'encoches du stator est choisi selon la formule N2 = N1 - 2.