Brevet FR2458933A1 — publié le 19810102

L'invention concerne un moteur å courant continu sans contact glissant. Les moteurs à courant continu possédent des caractéristiqueç de couple, de puissance massique et de gamme de .vitess- q ji les font préférer aux autres pour de nombreuses applications. Malheureusement la présence de basais ou de collecteurs ; lames crée des problèmes de rnaintenar.ce périodique nécessités notamment par l'usure des balais. mais aussi des risques d'étincelles qui interdisent leur *stilisation dans certaines conditions d'environnement. Il est connu pour pallier. ces inconvénients de réaliser des moteurs sans balais mettant en oeuvre des circuits de commande électronique. L'inconvénient de ces systèmes réside dans la complexité des circuits qui nécessitent souvent un nombre considérable de composants .La. présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes et concerne un nOteur du type sans contact glissant, alimenté a partir ci'une tension continue, au moyen d'un convertisseur statique élaborant un système polyphasé de courants d'alimentation du moteur, la phase te ces courants restant asservie à la position instantanée de la roue polaire par l'intermediaire d'un détecteur de la position angulaire du rotor. L invention concerne plus particulièrement un tel moteur à courant continu sans contact glissant, comportant un rotor et un stator portant le bobinage d'induit, caracterisé en ce que ce stator comprend des premières zones comportant des dentures entre lesquelles se trouvent un bobinage d'induit luimême constitué par un enroulement monophasé, ces zones alternant avec des secondes zones démunies de toute denture et de tout bobinage, tel que lorsque le moteur est à l'arrêt, non alimenté, par effet de réluctance variable, les pôles du rotor se positionnent face aux premières zones du stator munies de dentures. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement une coupe transversale du moteur; - la figure 2 est un schéma synoptique du circuit de commande d'un moteur selon l'invention; - Les figures 3 à 5 sont des schémas explicatifs; Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références dans toutes les figures Comme le montre la figure 1, le moteur I conforme à l'invention comprend essentiellement un rotor à aimants 2 qui tourne au synchronisme avec le champ magnétique créé par un bobinage d'induit 3 logé dans des encoches 4 ménagées dans des premières zones 6 du stator 5. Le rotor 2 représenté à titre d'exemple, comporte quatre pâles. Selon une première caractéristique de l'invention le bobinage d'induit est constitué par un enroulement monophasé. I1 en résulte une simplification des circuits d'alimentation dont le nombre de composants peut alors être réduit au maximum ainsi qu'une simplification du système de détection de la position du rotor, assurant l'asservissement de la fréquence d'alimentation de l'induit en fonction de la vitesse angulaire du rotor, qui sera décrit ci-dessous.Selon une seconde caractéristique de l'invention le circuit magnétique est agencé de manière à présenter un effet de réluctance variable : un tel agencement consiste à réaliser dans le stator 5 des secondes zones 66 démunies de dentures qui alternent avec les premières zones 6 portant des dentures entre lesquelles se trouvent les encoches 4 qui reçoivent le bobinage d'induit. Cette disposition particulière, conforme à l'invention, conduit les pôles du rotor 2 à se positionner automatiquement face à ces zones 6 munies de dentures, lorsque le moteur est arrêté et non alimenté. Ce positionnement privilégié contribue à faciliter le démarrage du moteur.Selon une troisième caractéristique de l'invention, le courant monophasé d'alimentation du moteur qui peut être obtenu à partir d'un pont redresseur alimenté par le réseau, est asservi, par commutation à fréquence élevée, à un signal de référence alternatif de forme rectangulaire obtenu à partir d'un détecteur de position du rotor 2. Un dispositif règle séparément l'amplitude des courants et assure l'asservissement de couple du moteur. La figure 2 est un schéma synoptique d'un circuit de commande d'un moteur autosynchrone monophasé conforme à l'invention. Ce drcuit comprend essentiellement un commutateur électronique 10. I1 s'agit d'un pont monophasé à quatre transistors T1, T2, T3, T4 et quatre diodes de récupération d1, d2, d3, d4 montées en antiparallèle commandées diagonalement de manière à pouvoir inverser, à fréquence élevée (de l'ordre de 10 kHz par exemple) la tension continue d'alimentation. Celle-ci peut être fournie par un pont de Graetz comportant quatre diodes d5, d6, d7, dg, branché aux bornes 11 et 12 du réseau (220 volts, 50 Hz).Le moteur 1 est schématisé par un rotor bipolaire 13 dont les pôles sont repérés Nord (N) Sud (S), tournant autour d'un axe de rotation 14 dans le sens indiqué par la flèche 15. Le fonctionnement d'un moteur équipé d'un rotor tétrapolaire tel que représenté sur la figure 1 serait équivalent. Une première borne 16 du bobinage d'induit 17 est reliée au point P1, commun à l'émetteur du transistor T1 et au collecteur du transistor T4 dont les bases sont respectivement reliées à la sortie d'un premier et d'un second organe de commande 160 et 170 appartenant à une boucle d'asservissement 100. La seconde borne 18 de l'induit est reliée au point P2 commun à l'émetteur du transistor T3 et au collecteur du transistor T2 dont les bases sont respectivement commandées par les premier et second organes de commande 160 et 170. Les collecteurs des transistors T1 et T3 d'une part et les émetteurs des transistors T4 et T2 d'autre part, sont respectivement reliés aux bornes 20 et 21 du pont de Graetz, elles-mêmes reliées à l'une des armatures du condensateur de filtrage 22. Un détecteur de position 32 solidaire du stator coopère avec un obturateur 31 solidaire du rotor 13 pour fournir à travers un amplificateur 41 un signal de référence de courant à amplitude constante. Le détecteur de position 32 comporte notamment une photodiode d20 et sa résistance de polarisation 38 associée à un phototransistor TP (I'émission de la photodiode d20 étant occultée à chaque passage de l'obturateur 31). L'émetteur du phototransistor TP est relié à la masse, son collecteur polarisé positivement au moyen de la résistance 40 est relié à la borne positive d'un amplificateur 41.Deux résistances 42 et 43 polarisent l'amplificateur 41. Le signal de référence de courant à amplitude constante est rectangulaire et représenté en 45. Comme cela a été dit précédemment, un dispositif de réglage de l'amplitude du courant 50 est également prévu. Il s'agit de tout organe d'asservissement connu tel que par exemple un potentiomètre 51 dont le curseur 52 est asservi aux paramètres régissant la vitesse du moteur. Le signal de réglage d'amplitude de courant fourni par ce potentiomètre et le signal de référence de courant à amplitude constante fourni par le détecteur de position du rotor sont appliqués sur les deux entrées d'un multiplieur 60 qui fournit à sa sortie le signal 61 de référence de courant à amplitude dite "réglée", signal appliqué sur la première entrée d'un comparateur 62. Un dispositif détecteur de courant 23 relié aux bornes d'une résistance 24 introduite dans le circuit de bobinage de l'induit 17 permet de prélever un signal 70 représentant le courant réel. Ce signal 70 est appliqué sur la seconde entrée du comparateur 62. Le signal de sortie du comparateur 62 suit deux voies 80 et 81 selon que le courant réel est supérieur ou inférieur au courant de référence 61. Dans le premier cas il est appliqué à l'entrée de l'organe de commande 170 délivrant un premier signal de commande commandant les transistors T3 et T4, dans le cas inverse, il est appliqué à l'entrée de l'organe de commande 160 délivrant un second signal de commande commandant les transistors T1 et T2. A partir donc de la tension alternative du réseau monophasé (220 volts, 50 Hz) on obtient, au moyen du redresseur non commandé que constitue le pont de Graetz, tel que décrit précédemment, une tension continue Ud, dont la valeur moyennne est supérieure ou égale à 200 volts. Cette tension Ud est découpée à fréquence élevée (de l'ordre de 5 à 10 kHz), en succession de créneaux de tension de valeur t Ud de largeur variable. Pendant chaque alternance, l'asservissement du courant autour d'une valeur de référence + 1r ou - 1r s'opère comme s'il s'agissait d'un dispositif d'alimentation continue à découpage.Alors que des courants polyphasés créeraient un champ tournant, I'alimentation monophasée crée dans l'entrefer un champ magnétique de direction fixe par rapport au stator, mais dont l'amplitude et le signe sont asservis au signal de référence du courant à amplitude dite réglée, lui-même en phase avec la référence à amplitude constante déterminée par la position du rotor. Comme le montre la figure 3, le détecteur de position est placé de telle manière que, pendant chaque alternance du courant, la position moyenne de l'axe transversal Q (axe interpolaire (voir figure 3a) du rotor 13 à aimants coïncide avec l'axe du champ magnétique H. Si i est le courant réel, il y a régulation de i autour de + 1r Le rotor tourne dans le sens indiqué par la flèche 100. Dans la configuration représentée sur la figure 3b correspondant à l'instant de la commutation, le courant et le couple sont nuls. Enfin, dans la configuration représentée sur la figure 3c correspondant au milieu de l'alternance, i est régulé autour de - 1r La courbe représentant le courant de référence 1r est représentée sur la figure 4.Le rapport couple/courant est ainsi maximum, le couple électromagnétique fondamental évoluant entre zéro et Il fois sa valeur moyenne comme le montre la figure 5 représentant la variation d2u couple c en fonction du temps t. Le démarrage doit s'effectuer dans la configuration (a) ou (c), les positions en (b) du rotor correspondant à un couple nul. Comme cela a déjà été dit précédemment, les parties du stator qui ne portent pas de denture ni de bobinage d'induit (figure 1) entraînent le rotor, par effet de réluctance variable, à se positionner dans la configuration (a) ou (c), Le signe du signal de référence du courant + 1r ou - 1r détermine alors le sens du démarrage. Si l'on prend comme notations: = angle de rotation du rotor w = d/dt = vitesse angulaire du rotor I = inertie des parties tournantes cm = couple moteur cr = couple résistif (les indices a, b, et c se rapportent aux différentes configuration définies cidessus), l'intégralerb (cm - cr) dX doit être égale à une quantité positive égale à 2' w2(b) de manière que le rotor soit animé, à l'instant (b) de la commutation, correspondant au couple nul, d'une vitesse ( (w,) susceptible d'entretenir le mouvement et que l'expression:: I W - cr) dO soit une Deux cas peuvent se présenter: - ou bien le moteur démarre à vide (le couple résistif étant très peu différent de zéro) et les conditions énoncées ci-dessous sont automatiquement réalisées; - ou bien le couple résistif présente une valeur non négligeable, même à l'arrêt (frottements secs, balourd mécanique etc...), et il faut alors, soit surdimensionner le moteur en conséquence pour assurer les conditions de démarrage, soit se ramener au cas précédent en introduisant un degré de liberté mécanique au moyen par exemple d'un embrayage centrifuge ou de tout autre procédé connu. L'utilisation d'un bobinage statorique monophasé permet de minimiser le coût des moteurs à courant continu sans contact électrique glissant à alimentation autosynchrone. L'asservissement du courant monophasé autour d'une référence, directement délivrée par un détecteur de position du rotor qui est unique, assure simultanément le contrôle des courants instantanés dans les composants à semi-conducteurs et le réglage du couple. Compte tenu du positionnement correct du rotor avant le démarrage dû à l'entrefer à réluctance variable, les modulations du couple liées à l'alimentation monophasée ne compromettent pas les effets de l'autosynchronisation et le démarrage s'effectue sans utilisation d'une phase auxiliaire et sans ambiguité sur le sens de rotation. Les applications des moteurs conformes à l'invention sont nombreuses, elles se situent notamment dans les domaines mettant en oeuvre des vitesses variables et des couples résistifs relativement peu importants à basse vitesse. REVENDICATIONS 1. Moteur à courant continu sans contact glissant comportant un rotor et un stator portant les bobinages d'induit, caractérisé en ce que ce stator comprend des premières zones comportant des dentures entre lesquelles se trouvent des encoches destinées à recevoir un bobinage d'induit lui-même constitué par un enroulement monophasé, alternant avec des secondes zones démunies de toute denture et de tout bobinage, tel que, lorsque le moteur est à l'arrêt, non alimenté, par effet de réluctance variable, les pôles du rotor se positionnent face aux premières zones du stator munies de dentures. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'alimentation comportant un commutateur électronique et une boucle d'asservissement destinée à comparer le signal représentant le courant réel circulant dans le bobinage d'induit avec un signal de référence de courant d'amplitude dite "réglée" et à fournir en fonction de cette comparaison les signaux de commande de commutation à ce commutateur électronique par l'intermédiaire d'un premier et d'un second organe de commande. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce signal de référence de courant à amplitude réglée est obtenu par combinaison d'un signal d'amplitude constante obtenu au moyen d'un détecteur de position du rotor avec un signal de réglage d'amplitude obtenu à partir d'un organe d'asservissement lié aux paramètres régissant la vitesse du moteur. 4. Moteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le commutateur électronique est constitué par un pont de quatre transistors T1, T2, T3, T4 et de quatre diodes de récupération montées en antiparallèle dl, d2, d3, d4 commandés diagonalement par les signaux de commande fournis par le premier et le second organe de commande. 5. Moteur selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le commutateur électronique est alimenté en courant continu à partir d'un réseau monophasé à travers un pont redresseur.