Brevet FR2454722A1 — publié le 19801114

La presente invention a pour objet un moteur à courant continu sans balais, du type comprenant un rotor à aimantation permanente, un stator bobiné à n voies, des moyens pour repérer les positions angulaires relatives du rotor et du stator et des moyens d'asservissement de la vitesse de rotation du moteur. Les moteurs à courant continu classiquescomportent en général des enroulements inducteurs fixes et des enroulements d'induit rotatifs alimentés par une source de courant continu L'alimentation des enroulements rotoriques d'induit s'effectue par l'intermédiaire d'un collecteur tournant sur lequel glissent des balais. Ces moteurs présentent tous les inconvénients inhérents aux contacts mobiles. I1 a déjà été proposé de supprimer les contacts mobiles d'alimentation des rotors et de mettre en oeuvre des rotors constitués exclusivement d'aimants permanents. Toutefois, dans ce cas, plusieurs problèmes surgissent. En premier lieu, il convient de pouvoir repérer les positions angulaires relatives de l'inducteur et de l'induit afin d'alimenter les enroulements de stator de manière à produire un champ amenant le moteur à tourner, La forme d'onde des tension et courant d'alimentation des enroulements du moteur doit étre contrôlée pour conférer au moteur un rendement maximum. Enfin, la vitesse de rotation du moteur doit pouvoir être asservie. Afin de résoudre les problèmes posés cidessus, différentes solutions ont été proposées. Selon un premier mode de réalisation, par exemple, des capteurs à effet Hall sont utilisés pour déterminer la position angulaire du rotor par rapport au stator. Le dispositif ainsi élaboré est relativement fragile et difficile à mettre en oeuvre. On connait également un type de moteur à courant continu sans balai comprenant des capteurs inductifs ou photoélectriques et des circuits électroniques asso ciés. Ce mode de réalisation est assez complexe et ne permet pas de répondre complètement aux problèmes poses par la suppression du collecteur. La présente invention a pour but de réaliser de façon simple et peu coûteuse des moteurs à courant continu sans balai dans lesquels le repérage des positions angulaires relatives de l'inducteur et de l'induit, le contrôle des formes d'onde des tension et courant d'alimentation du moteur et l'asservissement de la vitesse de rotation du moteur peuvent etre assurés de façon efficace. Ce but est atteint grâce à un moteur à courant continu sans balais du type défini au début dans lequel, conformément à l'invention, les moyens pour repérer les positions angulairés relatives du rotor et du stator comprennent une source de lumière, au moins n détecteurs d'intensité lumineuse fixes décalés entre eux d'un angle prédéterminé égal à tn ou fr , trn t au n n moins un élément polariseur rotatif solidaire du rotor et interposé entre la source de lumière et les détecteurs, et au moins un élément polariseur fixe interposé entre la source de lumière et l'élément polariseur rotatif et le courant d'alimentation d'un enroulement d'une voie du stator est rendu dépendant des signauxdélivrés par le détecteur d'intensité lumineuse associé à cette voie. L'élément polariseur rotatif est calé sur l'arbre du rotor de manière que le signal délivré par un détecteur soit maximum lorsqu'un pble déterminé du rotor se trouve devant l'enroulement de stator correspondant à ce détecteur. Selon un mode particulier de réalisation, la source de lumière unique est associée à une coupole hémisphérique pour réfléchir un flux lumineux identique en direction de chacun des détecteurs. Selon un autre mode de réalisation, la source de lumière unique est associée à une fibre conductrice de lumière qui se divise en n brins égaux pour trans férer un flux lumineux identique en direction de chacun des détecteurs. Dans ce cas, la source de lumière peut être tout à fait extérieure au moteur Les détecteurs d'intensité lumineuse sont de préférence constitués par des phototransistors. Dans ce cas, un amplificateur opérationnel est connecte à la sortie d'un phototransistor, et une résistance est connectée entre la sortie de l'ampliricateur operationnel et la base du phototransistor de sorte qu'à la sortie de l'amplificateur opérationnel on dispose d'une tension proportionnelle au flux lumineux appliqué au phototransistor. De façon plus particulière, les circuits associés aux détecteurs d'intensité lumineuse et aux enroulements de stator comprennent un générateur de dents de scie de période t très faible devant la période de rotation du moteur et, associé à chaque voie d'enroulement de stator, un comparateur auquel sont appliqués d'une part le signal issu du générateur à dents de scie et d'autre part un signal proportionnel au flux lumineux reçu par le détecteur associé à ladite voie, et un commutateur de puissance est interposé entre un comparateur et l'enroulement de stator à alimenter. Selon une caractéristique avantageuse, les circuits électroniques comprennent en outre, un circuit de mesure de la fréquence des signaux fournis par l'un des détecteurs, un circuit convertisseur pour fournir une tension continue proportionnelle à cette fréquence, un circuit comparateur pour comparer la tension continue produite avec une valeur de consigne et des moyens pour commander l'intensité de la source de lumière en fonction du signal d'erreur fourni par le circuit comparateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lecture de la description qui fait suite, d'exemples particuliers de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - La figure 1 est une vue schématique dans un plan radial du moteur montrant l'emplacement des détecteurs de position du rotor, - la figure 2 est un graphe montrant la forme des signaux délivrés par les détecteurs de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique montrant la disposition des enroulements de stator par rapport au rotor, - la figure 4 est un schéma-bloc des circuits électroniques d'alimentation des enroulements de stator en fonction des signaux délivrés par les détecteurs, - la figure 5 montre la forme des signaux électriques en certains points du circuit de la figure 4, - la figure 6 est une vue schématique en coupe axiale d'un ensemble de détection selon l'invention, et - la figure 7 est une vue schématique d'une variante de réalisation de l'invention. L'exemple d'ensemble de détection 38 représenté sur la figure 6 est destiné à être associé à un moteur à courant continu sans balais, non représenté, comprenant un rotor porteur de parties aimantées de façon permanente. L'arbre 34 de l'ensemble 38, monté dans un carter 40, à l'aide de paliers 35, 36 est rendu solidaire du rotor du moteur. Les moyens préyus pour assurer une alimentation convenable des enroulements d'induit du moteur en fonction des positions angulaires relatives du rotor et du stator comprennent en premier lieu une source de lumière 20 qui émet un flux lumineux réparti de façon régulière en direction de détecteurs tels que 1 sensibles à l'intensité du flux lumineux qu'ils reçoivent et émettant des signaux électriques fonction de cette intensité par une ligne 50. Sur la figure 6, on voit une coupole sphérique 25 qui assure la répartition régulière du flux lumineux émis par la lampe 20, en direction des détecteurs tels que 1. Deux filtres polarisants 26, 27 sont interposés entre la source de lumière 20 et les détecteurs 1,2, 3. L'élément polarisant 26 est solidaire du rotor par l'intermédiaire du manchon 37 tandis que l'élément polarisant 27 est fixé sur le carter 40. Du fait que l'un des filtres polarisants est fixe tandis que l'autre est mobile en rotation, l'angle e entre les axes des deux filtres polarisants 26, 27 varie en fonction du temps, de sorte que le flux lumineux transmis à travers les deux filtres polarisants 26, 27 varie également en fonction du temps selon la position de l'arbre 34 solidaire du rotor. Si 1o est le flux lumineux incident émis par la source de lumiere 20 en direction d'un détecteur tel que 1 en l'absence de polariseur, et si e est l'angle que font entre eux à un instant donné les axes de polarisation des deux polariseurs 26, 27, le flux lumineux I1 transmis à travers les deux polariseurs 26, 27 et reçu par un détecteur I est à l'instant considéré o = 1o /2 (1 + cos 2 ) Si le polariseur rotatif 26 tourne à vitesse constanteR, un détecteur tel que 1 délivre un signal 4 (figure 2) qui présente la forme d'une sinu solde de fréquence 2 Q . . La figure 1 représente un agencement de trois détecteurs qui sont décalés angulairement les uns par rapport aux-autres. Les détecteurs 1, 2, 3 sont décalés entre eux de-600. De cette façon, les signaux 4, 5, 6 (figure 2) délivrés respectivement par les détecteurs 1, 2, 3 constituent des sinusoldes déphasées entre elles de 1200 et de fréquence 2rr, si le rotor tourne à la vitesse constante sL On remarquera que chaque détecteur 1, 2, 3 peut être remplacé par un détecteur identique décalé de 1800 par rapport au détecteur initialement considéré. En effet, dans la mesure où le flux lumineux transmis à travers les polariseurs 26,27 dépend du terme cos 2 4 deux détecteurs décalés de 1800 fournissent le même signal, puisque cos 2 Q = cos 2 (9 +?r). Les détecteurs 101, 102, 103 diamétralement opposés aux détecteurs 1, 2, 3 respectivement peuvent ainsi être substitués ou combinés aux détecteurs 1, 2 , 3. Selon un mode de réalisation avantageux, on utilise trois détecteurs tels que 1, 102, 3 décalés entre eux de 1200. On obtient ainsi un agencement parfaitement symétrique et des signaux 4,5, 6 conformes à la représentation de la Figure 2, La Figure 3 représente schématiquement trois voies d'enroulements d'induit 11, 12; 13, 14 et 15,16 associées respectivement à une voie de détection 1, 101; 2, 102; 3, 103 et coopérant avec un rotor à deux paires de polos. Les trois voies d'enroulements d'induit sont décalées entre elles de 609. Si les signaux 4, 5, 6 (Figure 2) produits par les détecteurs 1 (ou 101), 2 (ou 102), 3 (ou 103), commandent, après amplification, les signaux appliqués respectivement aux enroulements d'induit 11, 12; 13, 14 et 15, 16 du moteur à courant continu de type inversé à deux paires de piles, à enroulements à trois voies, schématisé sur la figure 3, et si le polariseur rotatif 26 est calé sur l'arbre du rotor du moteur de telle manière que le signal 4 soit maximum lorsqu'un ple nord N du rotor se trouve devant l'enroulement 11 (figure 3), il apparait dans le moteur un couple permanent et toujours de même sens. En effet, lorsque le rotor aura tourné de 600, il se trouvera en face de l'enroulement 13 et le signal 5 appliqué à l'enroulement 13 sera maximum à ce moment.Le rotor se stabilise en vitesse lorsque la f e m induite dans les enroulements 11, 12; # 13, 14; 15, 16 devient égale à la tension appliquée aux bornes de ces enroulements. La figure 4 montre plus en détail un exemple de circuit électronique permettant la commande du courant parcourant les enroulements d'induit 11, 12; 13, 14; 15, 16 à partir des signaux délivrés par les détecteurs tels que 1, 2, 3. La figure 5 représente la forme des signaux électriques en certains points du circuit de la figure 4. La source lumineuse 20, associée éventuellement à un réflecteur tel que le réflecteur 25 de la figure 6, est prévue pour éclairer de façon uniforme les trois détecteurs 1, 2, 3, décalés angulairement de la manière décrite en référence à la figure 1, en 11 absence de polariseurs. En fonctionnement, un polariseur mobile 26 solidaire du rotor et un polariseur fixe 27 sont interposés entre la source de lumière 20 et les divers détecteurs 1, 2, 3. Le polariseur fixe 27 peut naturellement être constitué par plusieurs éléments polarisants distincts d'axes parallèles disposés respectivement devant chacun des détecteurs 1, 2, 3. Les éléments actifs de détection inclus dans les détecteurs 1, 2, 3 sont constitués par des phototransistors 31, 32, 33 avec connexion de base sortie. Un amplificateur opérationnel 41, 42, 43 connecté au phototransistor 31, 32, 33, présente en outre sa sortie reliée à la base du phototransistor 31, 32, 33 par l'in- termédiaire d'une résistance 51, 52, 53. Les résistances 61, 62, 63 constituent des-résistances de polarisation des phototransistors correspondants 31, 32, 33. Avec le type de montage représenté sur la figure 4, les phototransistors travaillent à courant constant et la tension disponible à la sortie d'un amplificateur opérationnel 41, 42, 43 est proportionnelle au courant de base dt au flux lumineux I1 reçu par le phototransistor correspondant 31, 32, 33. La forme de la tension Vs en sortie de l'amplificateur 41 du détecteur 1, qui correspond au signal 4 de la figure 2, est représentée par le signal 74 de la figure 5a. Les tensions Vs en sortie des amplificateurs 42, 43 présentent naturellement une forme analogue à celle de la figure 5a, mais sont déphasées respectivement de 2 et 4. -7 Un genérateur de dents de scie 70 engendre un signal en dents de scie 75 de période t très faible devant la période de rotation du moteur. Le signal 75 (figure 5b) est appliqué à une première entrée d'un comparateur 71 tandis que le signal 74 (figure 5a) est luimême appliqué à la deuxième entrée du comparateur 71. On obtient en sortie du comparateur 71 un signal 76 de la forme indiquée sur la figure 5c, c'est à dire un signal rectangulaire de rapport cyclique proportionnel à Vs. Un commutateur de puissance 81 permet d'appliquer le signal 76 aux enroulements correspondants 11, 12 du moteur. La self-inductance du moteur est supposée suffisante pour que le courant traversant chaque enroulement ne soit proportionnel qu'à la valeur moyenne du signal de sortie 76 du commutateur, c'est à dire à V5. Si ce n'était pas le cas, il conviendrait d'ajouter en série avec chaque enroulement une inductance appropriée. Les comparateurs 72 et 73 sont semblables au comparateur 71 et permettent d'alimenter de la façon précédemment décrite les enroulements de moteur 13, 14 et 15, 16 respectivement par l'intermédiaire des commutateurs de puissance 82, 83 à partir des signaux délivrés par les amplificateurs 42, 43. Sur l'une des trois voies du circuit de la figure 4, par exemple sur la première voie, un circuit 28 mesure la fréquence des signaux 74 (qui est fonction de la vitesse du moteur) et délivre une tension continue proportionnelle à la fréquence des signaux 74, donc à la vitesse du moteur. La tension continue fournie par le circuit 28 est comparée à l'aide du comparateur 29, 30 avec une valeur de consigne appliquée sur la deuxième entrée du comparateur 29. Le signal d'erreur en gendré vient commander l'intensité Io de la source lumineuse 20, donc par suite l'intensité Ici reçue par les détecteurs 1, 2, 3 et ainsi l'amplitude du signal 74 qui commande la vitesse de rotation du moteur. Le dispositif précédemment décrit permet à la fois de reperer les positions respectives de l'inducteur et de l'induit, d'alimenter convenablement les enroulements du moteur par des sinusoides, donc de travailler avec un bon rendement, et d'asservir en vitesse le rotor du moteur. Sur la figure 6, on a représenté une source de lumière unique 20 incorporée au moteur et un réflecteur 25 en forme de coupole hémisphérique, destiné, grace à des réflexions multiples, à fournir un flux lumineux Io identique pour chacun des détecteurs 1, 2, 3 ou de préférence 1, 102, 3. Sur la figure 7, on a représenté une variante de réalisation permettant d'obtenir également un flux lumineux égal sur chacun des trois détecteurs tels que 1, 2, 3ou, par exemple 1, 102, 3. Dans ce cas, à partir d'une même source lumineuse unique 20, qui peut d'ailleurs être disposée en dehors du moteur, on utilise une fibre conductrice de lumière 21 qui se divise en trois brins égaux 22, 23, 24 pour amener la lumière sur les détecteurs tels que 1, 102, 3. Ce mode de réalisation permet de supprimer la coupole hémisphérique de la figure 6 et permet plus facilement de disposer les détecteurs à 600 les uns des autres (positions telles que 1, 122, 3 sur la figure 1). Bien entendu, diverses modifications et adjonctions peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits à titre de simples exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de protection de l'invention. REVENDICATIQNS 1.- Moteur à courant continu sans balais, du type comprenant un rotor à aimantation permanente, un stator bobiné à n voies, des moyens pour repérer les positions angulaires relatives du rotor et du stator et-des moyens d'asservissement de la vitesse de rotation du moteur, caractérisé en ce que les moyens pour repérer les positions angulaires relatives du rotor et du stator comprennent une source de lumière, au -moins n détecteurs d'intensité lumineuse fixes décalés entre eux d'un angle te prédéterminé égal à 1nr ou n- snr , au moins un élément polariseur rotatif solidaire du rotor et interposé entre la source de lumière et les détecteurs, et au moins un élément polariseur fixe interposé entre la source de lumière et l'élément polariseur rotatif et en ce que le courant d'alimentation d'un enroulement d'une voie du stator est rendu dépendant des signaux délivrés par le detecteur d'intensité lumineuse associé à cette voie. 2.- Moteur selon la revendication 1, carac térisé en ce que l'élément polariseur rotatif est calé sur l'arbre du rotor de manière que le signal délivré par un détecteur soit maximum lorsqu'un pôle déterminé du rotor se trouve devant l'enroulement de stator correspondant à ce détecteur. 3.- Moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la source de lumière unique est associée à une coupole hémisphérique pour réfléchir un flux lumineux identique en direction de chacun des détecteurs. 4.- Moteur selon la revendication 1 ou la re vendication 2, caractérisé en ce que la source de lumière unique est associée a une fibre conductrice de lumière qui se divise en n brins égaux pour transférer un flux lumineux identique en direction de chacun des détecteurs. 5.- Moteur selon la revendication 4, carac térisé en ce que la source de lumière est extérieure au moteur. 6.- Moteur selon l'une quelconque des reyendications 1 à 5, caractérisé en ce que les détecteurs d'intensité lumineuse sont constitués par des phototransistors. 7.- Moteur selon la revendication 6, carac térisé en ce qu'un amplificateur opérationnel est connecté à la sortie d'un phototransistor, et en ce qu'une résistance est connectée entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et la base du phototransistor de sorte qu'à la sortie de l'amplificateur opérationnel on dispose d'une tension proportionnelle auflux lumineux appli qué au phototransistor. 8.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de dents de scie de période t très faible devant la période de rotation du moteur et, associé à chaque voie d'enroulement de stator, un comparateur auquel sont appliqués d'une part le signal issu du générateur à dents de scie et d'autre part un signal proportionnel au flux lumineux reçu par le détecteur associé à ladite voie, et en ce qu'un commutateur de puissance est interposé entre un comparateur et l'enroulement de stator à alimenter. 9.- Moteur selon la revendication 8, carac terse en ce qu'il comprend en outre un circuit de mesure de la fréquence des signaux fournis par l'un des détecteurs, un circuit convertisseur pour fournir une tension continue proportionnelle à cette fréquence, un circuit comparateur pour comparer la tension continue produite avec une valeur de consigne et des moyens pour commander l'intensité de la source de lumière en fonction du signal d'erreur fourni par le circuit comparateur. 10.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le nombre n est égal à 3.