Brevet FR2209245A1 — publié le 19740628

La présente invention concerne les moteurs polyphasés à courant continu et plus précisément les moteurs polyphasés à courant continu non réglables à commutateur sans contact. Les moteurs à courant continu sont parmi les meilleurs car ils permettent de régler progressivement leur vitesse en agissant sur l'enroulement d'excitation ou sur l'enroulement d'induit. Cependant malgré tous ses avantages un moteur à courant continu comporte une commutation de courant par contact au collecteur, ce qui réduit sa fiabilité du fait de l'usure du collecteur et des balais, surtout en présence de surcharges provocant la formation d'étincelles et même un flash sur toute la périphérie du collecteur. En vue d'éliminer les inconvénients indiqués on avait proposé de remplacer le collecteur et les balais par un commutateur à semi-conducteurs et d'utiliser un capteur de position du rotor pour sa commande. On connaît des moteurs électriques à courant continu avec un commutateur sans contact, comportant un rotor sous forme d'aimant permanent et un enroulement statorique polyphasé, dans lequel la commutation du courant est réalisée par un commutateur sans contact d'après les signaux du capteur de position du rotor. Pour améliorer la commande d'un commutateur sans contact, entre celui-ci et le capteur de position du rotor, on installe des étages amortisseurs qui peuvent entre réalisés sous la forme d'amplificateurs à courant continu fonctionnant en régime d'interrupteur des circuits de comptage et de décomptage en anneau, des multivibrateurs m stables de divers types et d'autres blocs analogues. Dans les moteurs à courant continu à commutateurs sans contact connus les capteurs de position du rotor présentent un nombre de phases égl au nombre de sections de l'enroulement statorique du moteur de sorte qu'il y a une grande quantité de conducteurs entre le commutateur sans contact et le capteur de position du rotor ce qui complique beaucoup la construction du moteur et réduit sa fiabilité. L'invention a pour but la création d'un moteur polyphasé à courant continu avec un commutateur sans contact présentant un nombre minimal de conducteurs de raccordement entre le capteur de position du rotor et le commutateur sans contact. L'invention est basée sur la mise au point d'un moteur dont la conception technique permet d'élargir son domaine d'appli cation. Le problème posé est résolu en ce que dans un moteur polyphasé à courant continu avec un commutateur sans contact, on utilise un bloc de mise en phase, le capteur de position du rotor comportant une sortie monophasée. Le bloc de mise en phase est réalisé par exemple sous la forme d'un générateur d'impulsions rectangulaires, la durée de ces impulsions étant bien inférieure à leur période de répétition, tandis que le capteur de position du rotor est réalisé sous la forme, par exemple, d-'un générateur monophasé. Le bloc de mise en phase peut être également réalisé sous la forme d'au moins trois éléments à seuil, assemblés en un générateur bloqué, l'entrée de chacun desdits éléments étant raccordée à la sortie monophasée du capteur de position du rotor à travers un transformateur, et la sortie de chacun d'eux étant connectée au bloc de commande, tandis que l'enroulement statorique du capteur de position du rotor est réalisé sous la forme d'enroulements d'inductances différentes, décalés dans l'espace qui sont branchés en série avec l'enroulement primaire du transformateur alimentant lesdits éléments à seuil. Il est avantageux d'emmancher sur le rotor du moteur réalisé sous la forme d'aimants permanents, une douille en matériau magnétique à hystérésis pour la création-d'un couple de démarrage. Ceci a permis d'obtenir avec de faibles dépenses de temps et de travail en se basant sur des échantillons de série de moteurs électrique à courant continu à commutateur à semi-conduc teurs > un moteur non réglable de puissance comprise entre 0,5 kW et 500 kW, présentant une vitesse de rotation comprise entre 1000 et 10 000 tr/mn. tes encombrements de ces moteurs sont de 20 % inférieurs aux encombrements des moteurs à commutateur sans contact réglables et leur constante électromécanique est inférieure à celle de ces moteurs connus de 15 %. Par ailleurs le nombre de conducteurs de raccordement entre le moteur et le capteur de position est égal à 4, au lieu de 14, ce qui permet de l'utiliser largement dans les gyroscopes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront pius particulièrement de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés. Il y a lieu de noter que chaque expression embrasse tous les éléments équivalents, fonctionnant de façon analogue et qui sont utilisés pour résoudre les mêmes problèmes. Par exemple on désigne par commutateur à semi-conducteurs non seulement un commutateur réalisé avec des transistors, mais aussi des thyristors, des valves entierement commandées, assemblées non seulement selon un montage en pont, mais également selon d'autre schémas connus. Le moteur peut être triphasé, ainsi qu'a m phases. La Fig. 1 représente un moteur magnétoélectrique polyphasé à courant continu avec un commutateur sans contact; la Fig. 2 représente le montage du bloc de mise en phase pour un mode de réalisation préféré du moteur, réalisé sous la forme d'un générateur d'impulsions rectangulaires et d'un capteur de position du rotor, réalisé sous la forme d'un générateur monophasé; la Fig. 3 représente le montage du bloc de mise en phase pour un autre mode de réalisation préféré du moteur, réalisé avec des éléments à seuil et d'un capteur de position du rotor, dont l'enroulement statorique est formé par des sections de différentes inductances décalées dans l'espace la Fig. 4 représente les diagrammes des signaux de commande des éléments à seuil. la Fig. 5 représente le montage du bloc de mise en phase, réalisé sous la forme d'un générateur d'impulsions rectangulaires et d'un moteur à courant continu avec un commutateur sans contact, sur le rotor duquel est déposée une couche en matériau magnétiquement dur (à hystérésis) la Fig. 6 montre le rotor du moteur à courant continu avec une couche de matériau magnétiquement dur (à hystéris). L'enroulement 1 (Fig. 1) du moteur électrique est raccordé à la sortie d'un commutateur sans contact (à semi-conduc- teurs) 2, dont l'entrée est raccordée à la sortie d'un bloc de commande 3. L'entrée du bloc de commande 3 est raccordée à la sortie d'un bloc de mise en phase 4, l'entrée de celui-ci étant raccordée à un capteur 5 de position du rotor, lié rigidement au rotor 6 du moteur électrique. Le commutateur 2 constitué par des amplificateurs de puissance à transistors 7-à 9 selon un schéma à émetteur commun. Aux collecteurs des transistors 7 à 9 sont raccordés les sections de l'enroulement sur une-source d'énergie à courant continu étant branchée entre le point de raccordement des sections de l'enroulement 1 et les émetteurs des transistors 7 à 9. Entre les bases et les émetteurs des transistors 7 à 9 sont branchées en série une source supplémentaire de courant continu 10 et une résIstance Il à 13 respectivement. Le bloc de commande 3 est constitué par un multivibrateur m-stable monté à transistors 14 à 16, le nombre m de positions étant égal au-nombre de sections de l'enroulement 1 (dans le cas présent m = 3). Entre le p81e négatif de la source 10 et les collecteurs des transistors 14 à 16 sont branchées des résistances 17 à 19 respectivement-, et entre les bases de ces transistors et le pôle négatif de la source 10 sont branchées des résistances 20 à 22 respectivement.Le collecteur du transistor 14 est raccordé aux bases des transistors 15, 16 et 9 à travers des diodes 23 à 25 respectivement, les électrodes positives des diodes étant raccordées aux collecteurs de ces transistors. lie collecteur du transistor 16 est raccordé à la base des transistors 14, 16 et 8 à travers des diodes 26 à 28 respectivement, les électrodes positives de ces diodes étant raccordées aux collecteurs de ces transistors. lie collecteur du transistor 16 est raccordé aux bases des transistors 14, 15 et 7 à travers des diodes 29 à 31 respectivement, les électrodes positives de diodes étant raccordées aux collecteurs de ces transistors. lies émetteurs des-transistors 14 à 16 sont raccordés aux émetteurs des transistors 7 à 9 à travers une source supplémentaire de courant continu 32, les émetteurs des transistors 14 à 16 étant raccordés au p81e position de la source. La base du transistor 14 est raccordée à la sortie du bloc de mise en phase 4 à travers un circuit constitué par un condensateur 33 et une diode 34 couplés en série, l'électrode positive de la diode 34 étant raccordée à la base de ce transistor.Ainsi sont également raccordées à la sortie du bloc de mise en phase les bases dos transistors 15 et 16 à travers un condensateur 35, une diode 36 et un condensateur 37, une diode 38 respectivement. lie point de raccordement du condensateur 33 et de la diode 34 est raccordé à travers une résistance 39 au collecteur du transistor 16 ; celui du condensateur 35 et de la diode 36, est connecté au collecteur du transistor 14 à travers une resistance 41 ; celui du condensateur 37 et de la diode 38 est connecté au collecteur du transistor 15 à travers une résistance 40. lie bloc de mise en phase 4 (Fig. 2) réalisé soua la forme d'un générateur d'impulsions rectangulaires comprend un générateur d'oscillations de relaxation à transistors 42 et 43.La base du transistor 42 est raccordée au collecteur du transistor 43 à travers une résistance 44. La base du transistor 43 est raccordée à travers un condensateur 45 au collecteur du transistor 42. Le collecteur du transistor 42 est raccordé au pôle négatif d'une source rie courant continu 46 à travers une résistance 47, et le collecteur du transistor 43 est raccordé à travers une résistance 48 pôle positif de la source 46. La base du transistor 43 est raccordée au pôle positif de la source 46 à travers une résistance 49. La sortie du capteur de position du rotor 5 est raccordée à la base du transistor 42 à travers une diode 50 dont l'électrode positive est raccordée à la sortie du capteur de position du rotor 5. Le capteur de position du rotor 5 est réalisé monophasé. Il est pourvu par exemple d'un-enroulement statorique monophasé 51, qui est raccordé en série avec une source 52 d'alimentation du capteur de position du rotor et avec le générateur 4. Le nombre de paires de p8les du rotor du capteur de position est égal au produit du nombre de sections de l'enroulement du moteur par le nombre de paires de pôles du rotor du moteur. L'élément à seuil du bloc de mise en phase 4 (le nombre d'éléments à seuil est égal au nombre d'enroulements) comprend un un transistor 53 selon un schéma de générateur bloqué (Fig. 3). Le collecteur du transistor 53 est raccordé au pôle négatif d'une source supplémentaire de courant continu 54 à travers l'enroule- ment 55 d'un transformateur 56. L'enroulement 57 de ce transformateur est raccordé d'un côté au pôle positif de la source 54 et de l'autre côté, à l'électrode positive d'une diode 58, dont l'é- lectrode négative est raccordée au condensateur 33 (Fig. 1). En Entre la base du transistor 53 et le pôle négatif de la source 54 est insérée une résistance 59. Entre la base du transistor 53 et la prise médiane d'ùn enroulement 60 du transformateur 56 est branché un condensateur 61, et entre la prise médiane 62 de l'enrou- lement 69 et le pôle positif de la source 54 est branchée une résistance 63.Au pôle positif de la source 54 est raccordé également l'émetteur du transistor 53. Les extrêmités de l'enroulement 60 sont raccordées à travers les circuits qui se composent de diodes 64, 65 et de résistances 66, 67, au pôle positif de la source 54, les électrodes positives des diodes étant raccordées aux extrêmités de l'enroulement. Le point de raccordement de la diode 65 et de la résistance 67 est raccordé par une résistance 68 au pôle négatif d'une source supplémentaire de courant continu 69, dont le pôle positif est raccordé au pôle positif de la source 54.Le point de raccordement de la diode 64 et de la r-sistance 66 est raccordé à travers une résistance 70 à un pont redresseur à diodes 71 à 74, la résistance 70 étant raccordée aux électrodes négatives des diodes 71 à 72. lies électrodes positives des diodes 73, 74 sont raccordées au pôle positif de la source 54. aux points de raccordement des diodes 71,-74 et 72, 73 est raccordé l'enrou- lement 75 dtun transformateur- 76. L'enroulement 77 de ce transformateur est raccordé en série avec la source d'alimentation 52 du capteur de la position du rotor et avec le capteur de position du rotor 5 proprement dit. lie stator du capteur de position 5 est constitué par deux enroulements 78, 79 à inductance différente, qui se trouvent dans l'espace sous un angle de 120 degrés électriques et qui sont raccordés en série. tes autres extrêmités des enroulements sont raccordées à l'enroulement 77 et à la source 52. La Fig. 4 représente les diagrammes des signaux de commande des éléments à seuil. Sur la Fig. 4 Ur est le signal du redresseur constitué par les diodes 71 à 74 Uk1, Uk2, Uk3 sont les signaux appliqués à l'entrée du bloc de commande à partir de la sortie des éléments à seuil (la diode 58, sur la Fig. 3). UT1, Ug2, UT3 sont les signaux appliqués à l'entrée du commutateur sans contact à partir de la sortie du bloc de commande (les collecteurs des transistors 14 à 16 sur la Fig. 1). lie bloc de mise en phase 4 d'un moteur, sur le rotor duquel est portée une couche de matériau magnétiquetent dur (à hystérésis), se compose d'un générateur à transistors 42, 43 et d'un interrupteur à transistors 80 et 81 (Fig.5). Le collecteur du transistor 81 est raccordé au pôle négatif de la source 46 à travers une résistance 82 et à la base du transistor 42, à travers une résistance 83. lie collecteur du transistor 80 est raccordé à la base du transistor 81 à travers une diode 84, dont l'électrode négative est raccordée à la base du transistor 81, qui à travers une résistance 85 est raccordée au pôle négatif de la source 46. La base du transistor 80 est raccordée au pôle positif d'une source 86 à travers un condensateur 85 et au pôle négatif de la source 46 à travers une résistance 87. Entre les émetteurs des transistors 80 et 81 est branchée une source supplémentaire à courant continu 86, dont le pôle positif est raccordé à l'émetteur du transistor 80. Les extrêmités d'un enroulement 88 d'un transformateur 92 sont raccordées à travers des diodes 89, 90, à la base du transistor 80 et le point milieu de cet enroulement est raccordé à ltémet- teur du transistor 80. L'enroulement 91 du transformateur 92 est raccordé à l'émetteur du transistor 80 et à une résistance 93, qui est raccordée à l'une des sections de l'enroulement 1 du moteur magnétoélectrique.Entre les émetteurs des transistors 81 et 42 est branché le capteur de la position du rotor 5-dont le schéma est représenté sur la Fig. 2. Sur la Fig. 6 est représenté en coupe le rotor constitué d'aimants permanents avec une couche 97 de matériau magnétique à hystéris. Du fait que dans le moteur électrique à courant continu on utilise un capteur de position du rotor avec une sortie monophasée, qui ne porte pas d'information concernant la position du rotor du moiteur électrique par rapport è chacune de ses phases au moment du démarrage, lorsqu'on applique la tension d'alimentation sur le commutateur sans contact il peut se produire un enclenchement du bloc de commande et par conséquent des sections de l'enroulement du moteur électrique, tel que la rotation du rotor du moteur n'aura pas lieu.Sur la Fig. 1 cette position est celle où est branchée la section de l'enroulement polyphasé du stator 1 qui crée les pôles S1 et N1, c'est-à-dire quand, lors de l'in- téraction les pôles opposés (S1 du stator et N du rotor ; N1 du stator et Sî du rotor) l'angle de décalage entre eux est proche ou égal à zéro. Par conséquent pour le démarrage du moteur électrique a partir de cette position on branche entre le capteur de position. du rotor 5 et le bloc de commande 3 un bloc de mise en phase 4, qui est constitué par un générateur d'impulsions à basse fréquence (Fig. 2) dont la synchronisation est possible à n'importe quelle fréquence supérieure à la fréquence propre du générateur. Le générateur d'impulsions amène le bloc de commande dans les autres positions, et par conséquent enclenche les autres sections du moteur électrique. Si lors de l'action des pôles opposés du stator et du rotor, l'angle de décalage entre eux atteint une valeur proche de 90 degrés électriques, le couple de démarrage atteint sa valeur maximale, et le rotor du moteur se met à tourner.Avec lui se met à tourner le rotor du capteur de position du rotor qui est solidaire du rotor du moteur et qui commence à débiter des impulsions au générateur et synchronise de ce fait sa fréquence. a fréquence propre du générateur est choisie de telle manière que lors du démarrage du moteur électrique (au moment du début de la rotation; la fréquence des impulsions provenant du capteur de position du rotor soit supérieure à la fréquence propre du générateur pour assurer un démarrage sûr du moteur électrique. La mise en vitesse consécutive du moteur électrique se produit comme pour un moteur électrique ordinaire à courant continu avec un commutateur sans contact. Si, lors de la mise sou la tension d'alimentation la position du rotor coïncide avec la position optimale par rapport à la section branchée, le générateur passe en régime de synchronisation : régime de recherche des conditions optimales (au besoin) lorsqu'il fonctionne sur sa fréquence propre, et le régime de synchronisation. La Fig. 5 représente le même bloc de mise en phase, mais dans celui-ci, entre le capteur de position du rotor, réalisé sous la forme d'un générateur monophasé, et le générateur d'impulsions rectangulaires'est branché un interrupteur électronique, à transistors 80 et 81, bloqué en régime de démarrage du moteur, et le rotor comporte une couche de matériau magnétique à hystéris (Fig. 6).Une telle réalisation du moteur réduit le courant de démarrage car au moment du démarrage, la tension appliquée aux sections du moteur a une fréquence déterminée par le générateur, le démarrage du moteur étant réalisé asynchroné à l'aide de la couche. de matériau magnétique à hystérész. lie capteur de position du rotor 5 avec un enroulement monophasé sur le stator 51 fonctionne selon un principe de saturation du noyau de son enroulement par l'aimant permanent du rotor du capteur. Au moment du démarrage la fréquence de la tension appliquée aux sections de l'enroulement du moteur est déterminée par le générateur à transistors 42 et 43, le démarrage du moteur étant réalisé asynchrone à l'aide de la couche de matériau magnétique à hy*e'rés ; la valeur de la fréquence du générateur détermine alors la valeur du couple de démarrage et du courant de démarrage. Pour que le moteur développe le couple de démarrage nécessaire la fréquence du générateur est choisie à l'aide du circuit RC (45 à 49). Au moment où le moteur atteint la vitesse déterminée par la fré- quence du générateur 4, le transistor 80 est bloqué par la tension positive prélevée sur l'enroulement secondaire du transformateur 92, car l'enroulement primaire 91 de celui-ci branché en série avec la résistance 93 constitue un élément sensible à la fréquence. C'est-à-dire, que la cnute de tension sur l'inductance de l'enrou lement primaire dépend de la fréquence de la tension appliquée. Comme le transistor 80 est bloqué, le transistor 81 est débloqué et ferme le circuit de réaction entre le moteur et le capteur de position du rotor. Ensuite se produit la synchronisation du générateur 4 par la fréquence de rotation du rotor. A partir de ce moment le moteur est accéléré comme un moteur ordinaire à courant continu avec un commutateur sans contact. Etant donné que la commande des éléments à seuil (Fig.3) est réalisée par le capteur de position du rotor, le stator du capteur de position du rotor est réalisé sous la forme d'enroulements 78 et 79 décalés dans l'espace et branchés en série. liors de la rotation du rotor 7 du capteur de position l'un des noyaux 78 ou 79 (Fig. 3) est saturé. il en résulte que la tension, qui diminuait aux bornes de 1'enroulement de ce noyau, est répartie sur l'enroulement restant à noyau non saturé. Le dispositif à seuil réagit à la valeur de la chute de tension sur l'enroulement à noyau non saturé, et selon sa valeur, délivre une information concernant la position du rotor du capteur.Le signal reçu du capteur de position du rotor 5 (Fig. 3) est appliqué à partir de l'enroulement secondaire du transformateur 76 au redresseur à diodes 71 à 74. Lorsque la tension sur le redresseur est inférieure ou égale à la tension U1 (Fig. 4) le premier élément à seuil délivre des impulsions à sa sortie. Le second élément à seuil délivre à sa sortie des impulsions, lorsque la tension sur le redresseur dépasse U1 (Fig. 4). Le troisième élément à seuil débite des impulsions à sa sortie, lorsque la tension au redresseur est supérieure à U2 (Fig.4). Pour bloquer le second élément à seuil au moment où la tension sur le redresseur dépasse la valeur U2, dans le circuit émetteur-base du transistor est-branché, à travers un redresseur 94, l'enroulement 95 d'un transformateur 96 dont les impulsions bloquent 1 transistor 53 à travers une résistance 97 (Fig. 3). il en résulte qu'à la sortie des éléments à seuil on obtient une série d'impulsions décalées les unes par rapport aux autres de 2/3 de rad. (Fig. 4), correspondant à la position du rotor. Les impul sions obtenues sont appliquées à l'entrée du bloc de commande. REfENDICATI0NS 1. Moteur électrique polyphasé à courant continu avec un commutateur sans contact, un bloc de commande de celui-ci et un capteur de position du rotor caractérisé en ce qu'il comporte en outre un bloc de mise en phase (4)connecté électriquement entre le bloc (3) de commande du commutateur et le capteur (5) de position du rotor comportant une sortie monophasée. 2. Moteur électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc (4) de mise en phase se présente par exemple, sous la forme d'un générateur d'impulsions rectangulaires dont la durée est de beaucoup inférieure à leur période de répétition, tandis que le capteur (5) de position du rotor est réalisé sous la forme, par exemple, d'un générateur monophasé. 3. moteur électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc (4) de mise en phase se compose d'au moins trois éléments à seuil, montés selon la schéma d'un générateur bloqué, l'entrée de chacun desdits éléments étant raccordée à la sortie monophasée du capteur (5) de position du rotor à travers un transformateur, tandis que sa-sortie est raccordée au bloc de commande (3), l'enroulement du stator du capteur (5) de la position du rotor, formé par ses sections à inductances différentes décalées dans l'espace étant branché en série avec l'enroulement primaire d'un transformateur alimentant lesdits éléments à seuil. 4. Moteur polyphasé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un interrupteur électronique branché entre le capteur (5) de position du rotor et le bloc (4) de mise en phase réalisé sous la forme d'un générateur d'impulsions rectangulaires, tandis que le dispositif d'aimantation sur le rotor du moteur est réalisé en aimants permanents et emmanché sur une douille en matériau magnétique ment dur.