Brevet FR2362521A1 — publié le 19780317

L'invention concerne des moteurs du type muni d'un rotor à aimant permanent et plus particulièrement, des moteurs sans balais de ce type. Les moteurs à courant continu classique emploient des collecteurs et des balais pour réaliser la commutation nécessaire pour exciter et désexciter les bobinages du moteur Toutefois, les collecteurs mécaniques posent des problèmes dans les applications qui exigent une grande fiabilité et une grande longévité. Le contact glissant entre les balais et le collecteur cause une usure des pièces. En outre, quand on utilise un moteur de ce genre dans certains types d'environnements, par exemple dans des atmosphères très corrosives, le contact électrique entre balai et collecteur risque d'être entravé par l'encrasse- ment des pièces. Les dispositifs à collecteur et à balai ont autres défauts bien connus. Pour éviter ces défauts, on a suggéré antérieurement des moteurs à courant continu sans balais. Ces moteurs éliminent la commutation mécanique assurée par un collecteur et des balais. Un exemple de moteur à courant continu sans balais est un moteur utilisant plusieurs sources lumineuses et des organes photosensibles associés. Un organe d'interruption de lumière tourne avec l'arbre du moteur de manière à arrêter et à laisser passer successivement la lumière des sources aux organes photosensibles et à assurer ainsi une commutation en fonction de la position de l'arbre du moteur. Un autre exemple de moteur à courant continu sans balais est celui qui utilise des résistances à effet Hall fixées au stator et disposées dans le champ du rotor à aimant permanent. Pendant que le rotor tourne, chaque résistance engendre une tension de sortie qui est fonction-de la position du rotor et ces tensions servent à assurer la commutation des bobinages du stator. Un problème important que posent les moteurs à courant continu sans balais utilisés antérieurement est leur sensibilité aux variations de température. La sortie des diodes à émission de lumière et des résistances à effet Hall varie considérablement avec la température. Par suite, lorsque le moteur est soumis à des températures extrêmes, son fonctionnement cesse d'être sûr, En outre, des impuretés atmosphériques peuvent nuire au rendement de moteurs utilisant des sources lumineuses pour la commutation. De plus, dans ce type de moteur, si l'on utilise une lampe au lieu d'une diode à émission de lumière, la longévité de la lampe devient un problème possible. L'un des buts de l'invention est de surmonter ces inconvénients en réalisant un moteur à courant continu sans balais utilisant pour la commutation un organe qui n'est pas sujet à usure et qui est complètement insensible aux variations de température. Un but plus particulier est de fournir un moteur à courant continu sans balais comportant un comrutateur électromagnétique dans lequel la commutation s'effectue par couplage et découplage du primaire et de secondaire d'un transformateur. Un autre but est de fournir un moteur à courant continu sans balais de ce genre dans lequel un signal à radiofréquence élevée est utilisé comme énergie couplant le primaire et le secondaire du transformateur. Un autre but est de fournir un moteur à courant continu sans balais dans lequel on puisse, si on le désire, séparer du moteur et du commutateur tous les composants électroniques de façon que ces composants ne soient pas soumis à l'environnement immédiat qui entoure le moteur et le commutateur. Un but supplémentaire est de fournir un moteur à courant continu sans balais qui soit uniforme d'un exemplaire à l'autre sans qu'un réglage soit nécessaire pendant la fabrication. Le réglage est souvent nécessaire lorsqu'on utilise des commutateurs optiques et à effet Hall, à cause des larges tolérances de fabrication des dispositifs semiconducteurs. Un autre but est de fournir un moteur à courant continu sans balais utilisant un commutateur qui soit très fiable et qui puisse en même temps être facilement fabriqué économiquement en grande série. D'autres buts et particularités de l'invention apparaîtront dans la description suivante qui se réfère aux dessins annexés sur lesquels : sur lesquels - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un moteur à courant continu sans balais selon l'invention, la partie inférieure du moteur étant en élévation - la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, montrant la face d'une plaquette de circuit imprimé qui porte le primaire du transformateur - la figure 3 une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1, montrant la face d'une plaquette de circuit imprimé qui porte plusieurs secondaires ;; - la figure 4 une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 1, montrant la face d'un blindage qui peut tourner avec le rotor - la figure 5 une vue schématique du câblage du commutateur électromagnétique - la figure 6 un diagramme illustrant les variations de tension dans les trois secondaires du transformateur - la figure 7 une coupe suivant la ligne 7-7 de la figure 1, et - la figure 8 un schéma d'une variante de disposition des secondaires du transformateur, permettant d'inverser le sens de rotation du moteur0 Le moteur à courant continu sans balais choisi pour illustrer l'invention et représenté par la figure I comprend un carter 10 à l'intérieur duuel se trouvent plusieurs enroulements fixes de stator il dont un seul est visible sur la figure 1. Dans le cas représenté, on utilise trois enroulements de stator, indiqués sur la figure 5 par les références lita, 11b et lic. Toutefois, il est entendu que l'on peut utiliser deux ou plusieurs enroulements fixes de stator et que de préférence, on en utilise au moins trois. A l'intérieur des enroulements de stator il se trouve un rotor cylindrique à aimant permanent 12 fixé à un arbre moteur 13 qui dépasse les deux extrémités du rotor 12. L'arbre 13 passe librement à travers des ouvertures 14 des extrémités opposées du carter 10. Des saillies creuses 15 partant de la surface intérieure des extrémités du carter entourent les ouvertures 14. Des roulements à billes 16 sont fixés à l'intérieur des saillies 15 et supportent l'arbre 13 en lui permettant de tourner relativement au carter. Des conducteurs électriques (non représentés) servant à fournir du courant électrique au moteur passent à travers un trou prévu dans le carter 10 et garni d'une rondelle isolante 17. A une extrémité du carter 10 est fixé un chapeau en cuvette 20. Quatre longs goujons filetés 21 partent de cette extrémité du carter et traversent quatre trous du chapeau 20. Un écrou 22 vissé sur chaque goujon 21 maintient le chapeau 20 contre le carter 10. Sur les goujons 21 sont supportées, à l'intérieur du chapeau 20, une plaque support 23 et deux plaquettes de circuit imprimé 24 et 25. La plaque support 23 et les plaquettes 24 et 25 présentent chacune une ouverture centrale agrandie à travers laquelle l'arbre 13 passe librement, et quatre trous à travers lesquels passent les goujons 21. Une entretoise tubulaire 26 entoure chaque goujon 21 entre l'extrémité du carter 10 et la plaque support 23, une bague d'espacement 27 entoure chaque goujon 21 entre la plaque support 23 et la plaquette de circuit imprimé 24, une entretroise 28 et une rondelle 29 entourent chaque goujon 21 entre les deux plaquettes 24 et 25 et un écrou 30, vissé sur chaque goujon 21, est serré contre la face extérieure de la plaquette 25. La plaque support 23 porte un bloc électroniue 34 comprenant les composants indiqués schématiquement sur la figure 5. Lorsque c'est nécessaire ou désirable, on peut éliminer la plaque support 23 et disposer le bloc électronique 34 en un point éloigné du moteur, les composants électroniques étant reliés au moteur par des conducteurs appropriés. Cela peut être désirable quand le moteur est utilisé dans un environnement, par exemple à haute température, qui aurait une influence nuisible sur les composants semiconducteurs ou autres composants électroniques, Les plaquettes de circuit imprimé 24 et 25 constituent un transformateur, Comme on le voit surtout par la figure 2, la plaquette 24 porte un primaire de circuit imprimé 35.Comme le montre la figure 3, la plaquette 25 porte trois secondaires de c rcuit imprimé 36, 37 et 38. On utilise trois secondaires parce que le stator du moteur comprend trois enroulements fixes lia, 11b et lic. Le nombre de secondaires portés par la plaquette 25 est égal au nombre d'enroulements du stator du moteur car, comme on le verra par la description ci-après, un secondaire du transformateur est affecté à chaque enroulement du stator. Entre les plaquettes de circuit imprimé 24 et 25 est disposé un blindage en forme de plaque 39, conducteur de l'électricité. Le blindage 39 a un plus petit diamètre que les plaquettes 24 et 25 de sorte qu'il s'adapte dans l'espacement défini par les quatre goujons 21 sans accrocher ceux-ci. En outre, le blindage 39 est fixé à l'arbre 13 par un collier 40 et peut tourner avec lui. Comme on le voit plus clairement par la figure 4, le blindage 39 a une forme généralement circulaire mais un secteur est enlevé. La grandeur du secteur enlevé est telle qutà tout moment, le blindage 39 puisse couvrir tous les secondaires 36 à 38 sauf un. Dans cet exemple, étant donné qu'il y a trois secondaires, le secteur enlevé du blindage 39 soustend un angle de 1200. Si la plaquette 25 portait quatre secondaires, la partie enlevée du blindage 39 soustendrait un angle de 900. Le blindage 39 est formé d'une matière capable d'interrompre le transfert d'énergie entre le primaire 35 et les secondaires 36 à 38. Dans l'exemple considérés un signal à radiofréquence est appliqué au primaire 35. Le blindage 39 est donc formé d'un matériau tel que l'aluminium, capable d'arrêter la transmission du signal à radiofréquence du primaire 35 aux secondaires 36 à 38. Toutefois, il est évident que dans la région échancrée du blindage 39, le transfert d'énergie entre le primaire 35 et les secondaires 36 à 38 est permis. Le commutateur électromagnétique de l'invention sera maintenant décrit à propos de la figure 5. Tous les composants représentés par la figure 5, sauf les enroulements de transformateur et les enroulements de stator, peuvent être inclus dans le bloc électronique 34. Un oscillateur 44, de tout type classique approprié, est conçu pour fournir un signal à radio fréquence au primaire 35. La fréquence du signal est de préférence de l'ordre du mégahertz, une fréquence type étant 2,5 MHz. On peut utiliser de plus hautes fréquences et en fait l'un des avantages de l'invention est dû à l'utilisation d'une haute fréquence car grâce à la haute fréquence utilisée pour coupler le primaire et le secondaire du transformateur, le commutateur est capable d'une commutation extrêmement rapide. En outre, il est plus facile d'arrêter les hautes fréquences que les basses fréquences et on peut utiliser des composants plus petits pour filtrer de plus hautes fréquences. Une extrémité de chacun des secondaires 36 à 38 est reliée à la masse et l'autre extrémité à une diode 45. Si on le désire, un condensateur 46 peut ponter chalue secondaire pour l'accorder de manière à donner un niveau de signal un peu plus élevé. L'autre côté de chaque diode est reliée à l'entrée d'un amplificateur 47. Si on le désire, un condensateur 48 peut être branché entre l'entrée de l'amplificateur et la masse pour filtrer le signal de courant continu qui part de la diode 45. Les sorties des amplificateurs 47 sont reliées aux bases respectives des transistors 52, 53 et 54. Les émetteurs de ces trois transistors sont reliés ensemble par le conducteur 55 et reliés à la terre par la résistance commune d'émetteurs 56. Les collecteurs des transistors 52 à 54 sont reliés aux bases respectives des transistors 57, 58 et 59. Les émetteurs des transistors 57 à 59 sont reliés à la masse par un conducteur commun 60 et le collecteur de chacun de ces transistors est relié à une extrémité d'un enroulement respectif de stator 19a à lic. Les extrémités opposées des enroulements lia à 11c sont reliées ensemble à une source de courant continu. Pendant que le blindage 39 tourne avec l'arbre 13 du moteur, une tension à haute fréquence est induite successivement dans chacun des secondaires 36, 37 et 38 Les tensions induites dans les secondaires sont représentées par la figure 6. Au début d'un tour complet du blindage 39, la tension 36' dans l'enroule- ment 36 augmente. La tension atteint un maximum, pis commence à diminuer. Une fois que le blindage 39 a tourné de 1200, la tension 37' dans l'enroulement 37 en cours d'augmentation, coupe et dépasse la tension 36' qui, peu de temps après, tombe à zéro uand ltenroulement 36 est complètement séparé du primaire 35 par le blindage.Au bout de 2400 de rotation du blindage 39, la tension 38' dans l'enroulement 38 coupe et dépasse la tension 37' décroissante et à la fin du tour, la tension 36' coupe et dépasse la tension 38', recommançant le cycle. Le signal induit dans chacun des enroulements 36 à 38 est redressé par la diode 45 et le signal de courant continu obtenu est appliqué à l'amplificateur 47. Les sorties des amplificateurs sont appliquées aux bases respectives des transistors 52 à 54. La résistance 56 sert à polariser dans le sens inverse les deux transistors qui à tout moment reçoivent les plus basses tensions de commande. Autrement dit, le transistor relié à l'amplificateur 47 qui fournit la plus haute tension de sortie est seul rendu conducteur tandis que les deux autres transistors sont coupés. On comprendra à l'examen de la figure 6 que par suite, les transistors 52, 53 et 54 sont rendus successivement conducteurs puis non conducteurs.Plus précisément, lorsque le blindage 39 passe par le point 1200 de sa rotation, le transistor 53 devient conducteur, le transistor 52 cesse de conduire et le transistor 53 reste non conducteur. Lorsque le blindage 39 passe par le point 2400, le transistor 54 devient conducteur 54 et les transistors 52 et-53 sont coupés. Quand le blindage 39 passe par le point 3600, le transistor 52 devient conducteur et les transistors 53 et 54 sont coupés. En réponse au fait que les transistors 52, 53 et 54 deviennent successivement conducteurs et non conducteurs, les transistors 57, 58 et 59 sont aussi rendus successivement conducteurs et non conducteurs. Quand le transistor 57 est rendu conducteur, un circuit se boucle de la source de courant continu à la masse par l'enroulement lia, le transistor 57 et le conducteur 60 de manière à exciter 11 enroulement lia. De façon similaire, lorsque les transistors 58 et 59-deviennent conducteurs, cela cause l'excitation des enroulements respectifs ilb et 17c. On voit donc que les enroulements 11a à lic sont excités successivement.Ainsi qu'il est usuel dans les moteurs de ce genre, l'excitation successive des enroulements de stator cause une rotation du rotor à aimant permanent 12. On comprendra que le fonctionnement correct du moteur dépend d'une position angulaire relative appropriée entre les enroulements de stator il et les secondaires 36 à 38. Si les secondaires 36 à 38 sont en avance" sur les enroulements de stator, le rotor 12 tourne -dans un sens. et si les secondaires sont en retard" sur les enroulements de stator, le rotor tourne en sens opposé. Par conséquent, il est relativement simple de rendre réversible le moteur selon l'invention. Comme l'indiquent les figures 3 et 7, les trous de la plaquette de circuit imprimé 25 à travers lesquels passent les goujons 21 sont en fait des fentes arquées allongées 64. Quand on désire la rotation dans un sens, on règle la plaquette 25 de façon que chaque goujon 21 soit situé à une extrémité de sa fente respective 64 et on serre l'écrou 30 pour maintenir cette position de réglage. Si l'on désire inverser le sens de rotation du rotor 12, on desserre les écrous 30, on fait tourner la plaquette 25 de façon que chaque goujon 21 se trouve à l'extrémité opposée de sa fente respective 64 et on resserre les écrous 30. Un autre moyen d'assurer la réversibilité du moteur selon l'invention consiste à prévoir une plaquette auxiliaire dè circuit imprimé 65 identique à la plaquette 25, comme l'indiquent les figures i et 8. Dans cette variante, les trous des plaquettes 25 et 65 n'ont pas besoin d'être des fentes comme indiqué en 64 sur la figure 3 puisqu'aucun réglage de l'une ni de l'autre plaquette n'est nécessaire. Toutefois, la plaquette 65 est disposée de telle sorte que les secondaires 66, 67 et 68 qu'elle porte sont décalés angulairement relarivement à ceux qui sont portés par la plaquette 25.Entre les enroulements de chaque plaquette de circuit et le reste du circuit de commutation est disposé un commutateur tripolaire à deux directions Sur la figure 8, les trois contacts mobiles du commutateur 69 sont indiqués en trait plein, reliant les enroulements de la plaquette 25 au reste du circuit de commutation et les enroulements de la plaquette 65 ne sont pas reliés au circuit. Quand on désire inverser le sens de rotation du rotor 12, on déplace le commutateur 69 de façon telle que ses contacts mobiles soient dans leur position en tireté où ils relient les enroulements de la plaquette 65 au reste du circuit, et simultanément séparent du circuit les enroulements de la plaquette 25. L'invention a été représentée et décrite sous sa forme préférentielle seulement et à titre d'exemple et on peut Y apporter beaucoup de modifications restant dans l'esprit de l'invention. il est donc entendu que ce qui précède n'est aucunement limitatif. REVENDICATIONS 1. Moteur à courant continu sans balais comprenant un rotor magnétique, plusieurs enroulements fixes entourant le rotor et un commutateur servant à exciter et à désexciter successivement ces enroulements, moteur caractérisé par le fait que le commutateur comprend a) un transformateur fixe comportant un primaire et plusieurs secondaires en nombre égal à celui des enroulements fixes, le primaire étant sous la forme d'une plaquette de circuit imprimé et les secondaires étant sous la forme d'une seule plaquette de circuit imprimé espacée de celle du primaire b) un oscillateur servant à fournir un signal à courant alternatif au primaire c) un blindage échancré situé entre la plaquette du primaire et celle des secondaires et pouvant tourner avec le rotor de manière à transmettre le signal à courant alternatif ou à arrêter sa transmission à chacun des secondaires successivement et à exciter et désexciter ceux-ci successivement d) des moyens de commutation associés à chacun des enroulements fixes, et e) des moyens qui, obéissant à l'excitation et à la désexcitation des secondaires, ferment et ouvrent les moyens de commutation successivement de manière à exciter et à désexciter successivement les enroulements fixes. 2. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'oscillateur fournit un signal à radiofréquence et que le blindage est formé d'une matière impénétrable aux signaux à radiofréquence. 3. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les plaquettes de circuit imprimé sont espacées le long de l'axe du rotor, chacune étant munie d'un trou à travers lequel le rotor passe de manière à pouvoir tourner librement, et que le blindage est monté sur le rotor et peut tourner avec lui. 4. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le blindage est un disque circulaire formé de métal conducteur de l'électricité et duquel un secteur est enlevé. 5. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens obéissant à l'excitation et à la désexcitation comprennent des moyens permettant de transmettre de chacun des secondaires à l'un des moyens de commutation un signal proportionnel à la tension induite dans le secondaire et des moyens permettant de fermer le moyen de commutation qui reçoit le plus fort signal et d'ouvrir les autres. 6. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chacun des moyens de commutation comprend un transistor et que les moyens de fermeture et d'ouverture comprennent un circuit d'émetteurs commun à tous les transistors. 7. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de transmission comprennent un circuit redresseur et amplificateur prévu entre chacun des secondaires et l'un des moyens de commutation. 8. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour régler la position des secondaires relativement aux primaires de manière à inverser le sens de rotation du rotor. 9. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le transformateur comprend un deuxième jeu ae secondaires similaires aux premiers et décalés angulairement par rapport à ces premiers enroulements, e-t des moyens de commutation permettant de relier alternativement le premier ou le deuxième jeu d'enroulements aux moyens qui obéissent à l'excitation et à la désexcitation, de manière à choisir le sens de rotation du rotor. 10. moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la plaquette de circuit imprimé de primaire porte un seul primaire. Il. Moteur à courant continu sans balais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux plaquettes de circuit imprimé et le blindage sont alignés axialement et disposés dans des plans parallèles.