Brevet FR2497571A1 — publié le 19820709

La présente invention se rapporte aux machines électriques, et notamment, aux capteurs détectant la position du rotor des machines électriques. L'invention s'applique surtout avantageusement aux moteurs rapides, à commutation par semiconducteurs en fonction de la position du rotor, dont les arbres ont des diamètres suffisamment grands ce qui oblige à fabriquer un induit de détecteur ayant un diamètre également suffisamment grand avec une haute fréquence de rotation des éléments de travail. Les moteurs du type mentionné sont des machines électriques rapides ayant des perspectives d'avenir importantes et présentant une haute fiabilité et de bonnes caractéristiques énergétiques. De par sa structure, un tel moteur se ccmpose de trois parties principales, notamment, de la machine électrique proprement dite, d'un détecteur de position du rotor et d'un com- mutateur électronique. Pour permettre le fonctionnement du moteur, il est nécessaire que les axes magnétiques du rotor soient, lors de sa rotation, disposés par rapport aux axes magnétiques du stator d'une façon appropriée pour créer un champ magnétique rotatif, ce qui est obtenu par la connexion consécutive des sections correspondantes de l'enroulement statorique avec la source d'a liment ati on. La mise en circuit des sections correspondantes de l'enroulement statorique de la machine électrique en fonction de la position du rotor s'effectue à l'aide du commutateur électronique, attaqué par les signaux émis par le détecteur qui signale la position du rotor. On connaît des détecteurs de position du rotor de type à contacts et sans contact. Les détecteurs à contacts qui sont bien connus, pour déceler la position du rotor et sont réalisés, par exemple avec des contacts à commande magnétique ou sous la forme d'un ensemble balai-collecteur, sont d'une faible fiabilité et d'une courte durée de service et n'assurent donc pas un fonctionnement stable du moteur en cas d'exploitation prolongée. De ce fait,il est utile d'employer des détecteurs de position du rotor du type sans contact présentant une fiabilité olus élevée que les détecteurs â contact. On connaît des détecteurs sans contact, signalant la position du rotor, qui comportent un induit, constitué par des portions isolées de transparence différente, et un ensemble fixe composé d'une source de lumière et d'éléments semi-conducteurs photosensibles. Ces capteurs se distinguent par une grande robustesse de l'induit. Cependant, l'emploi de détecteurs de position du rotor, basés sur des éléments photosensibles, est limité par la nécessité de recourir à une source de lumière économique dtune longue durée de service et par la rapidité de fonctionnement comparativement faible des éléments photosensibles. On connaît également des détecteurs de position du rotor à modulation magnétique comportant des éléments magnétosensibles sans contact, par exemple des éléments de Hall, magnétodiodes, résistances magnétiques, bobines de choc â saturation, et une source de champ magnétique exerçant son action sur des éléments magnétosensibles par l'intermédiaire d1un entrefer. Ces détecteurs sans contact, a' modulation magnétique, sont remarquables par une haute fiabilité, une longue durée de service et une grande rapidité de fonctionnement ce qui permet l'utilisation du moteur pratiquement avec n'importe quelle fréquence de rotation. De ce fait, les détecteurs de position du rotor a' modulation magnétique trouvent actuellement le plus large emploi dans les moteurs rapides a commutation par semiconducteurs. On connaît également un détecteur de position du rotor d'un moteur, sans contact, à courant continu (voir le certificat d'auteur URSS N 233486 publié en 1968) qui comporte un ensemble fixe, constitué par des éléments sensibles du type bo bine de choc et des circuits magnétiques plats en forme de "L" appliqués contre le noyau de la bobine de choc dont le plan de la fenêtre est perpendiculaire au rayon de l'ensemble fixe, ainsi qu'un induit comportant des aimants permanents qui constituent des secteurs de détection du détecteur et sont réalisés sous la forme de segments blindés par des plaques magnétiquement conductrices, disposées de part et dtautre des segments, suivant l'axe des aimants, le long de la génératrice de la surface cylindrique de l'induit. Les plaques de blindage magnétiquement conductrices assurent le shuntage des flux de dispersion des aimants permanents. La présence, sur l'induit du détecteur, des aimants permanents, dont la fixation sur l'induit soulève d'ailleurs d'importantes difficultés, limite sa fréquence de rotation, la fréquence limite de rotation de l'induit étant déterminée par les contraintes limites dues à l'action des forces centri fuges, tolérées dans les aimants permanents. De plus, une faible robustesse de l'induit limite les possibilités de son emploi dans les moteurs rapides à commutation par semiconducteurs. I1 est possible d'accroître quelque peu la fréquence de rotation de l'induit du détecteur de position du rotor en diminuant, dans cet induit, les contraintes dues à l'action des forces centrifuges grâce à un détecteur de position du rotor comportant un ensemble fixe muni d'éléments sensibles et d'aimants permanents, ainsi qu'un induit réalisé sous la forme d'une douille en matériau magnétique tel que le fer doux, munie d'une encoche pratiquée dans sa surface latérale, montée dans l'entrefer entre les éléments sensibles et les aimants permanents et fixée sur l'arbre du moteur (voir I.P. Kopylov, Yu.B.Panferov "Micromoteurs à courant continu avec des commutateurs à contacts magnétiquement controlables, 1976, Moscou, édition "Energuia", page 28, fig.12). Ce détecteur fonctionne de la façon suivante : La pa roi en magnétique doux de l'induit étant intercalée entre l'aimant permanent et l'élément sensible, le flux de l'aimant permanent se ferme sur la paroi de l'induit du détecteur et ne passe pratiquement pas dans 1'2atrefer entre la paroi de l'induit et l'élément magnétosensible. Lorsque le rotor du moteur est amené dans une autre position, de sorte qu'entre l'élément sensible et l'aimant permanent se trouve située l'encoche de l'induit, le flux magnétique se ferme à travers l'élément sensible en provoquant son fonctionnement. Ainsi, selon cette conception du détecteur, le secteur de détection constitue l'encoche de la douille de l'induit, tandis que la paroi, en matériau magnétique tel que le fer doux, de la douille représente un shunt sur lequel est fermé le flux magnétique de l'aimant permanent. La fréquence de fonctionnement des éléments sensibles est déterminée par la fréquence de rotation du rotor et par le nombre de paires de pôles. Etant donné que l'induit du détecteur est relié rigidement au rotor du moteur et a la même fréquence de rotation que le moteur lui--Rême, le nombre de secteurs de détection est fonction de celui de paires de pôles du moteur. Dans le détecteur décrit, la robustesse de l'induit est quelque peu accrue par rapport au dispositif précédent du fait du montage des aimants permanents sur un ensemble fixe. Cependant, la robustesse de l'induit réalisé sous la forme d' une douille à parois minces pourvue d'encoches axiales, ne permet pas un large emploi du détecteur de position du rotor dans des moteurs rapides à commutation par semiconducteurs. Autre part, la présence dans le détecteur d'un jeu radial bilatéral, entre l'ensemble fixe et l'induit, rend trop difficile sa fabrication et complique ses réglage et maintenance. De plus, la nécessité d'employer des aimants permanents de grand volume, du fait de la présence d'entrefers considérables entre les éléments sensibles et les aimants permanents, implique l'accroissement de I'encobrement du détecteur pris dans son ensemble. On connaît un détecteur de position du rotor, plus proche du dispositif objet de l'invention, qui comporte un ensemble fixe pourvu d'aimants permanents raccordés chacun à un circuit magnétique possédant une saillie recevant un élément magnétosensible, et un induit réalisé en magnétique doux et muni d'un coté d'un secteur de détection et de l'autre côté, d'un shunt magnétique disposé parallèlement à l'axe de rotation. L'induit et l'ensemble fixe sont montés de façon à mé- nager un entrefer axial entre les aimants permanents et l'induit et un entrefer radial entre le secteur de détection et l'élément sensible (voir le certificat d'auteur URSS N 437183 publié en 1974). Lorsque le rotor du moteur se met à tourner, l'induit soit ferme le circuit magnétique formé par l'élément sensible, le noyau magnétique, l'aimant permanent et le secteur de dé détection, soit effectue le shuntage du flux magnétique de l'aimant permanent au moyen du shunt mentionné, ce qui affaiblit l'effet parasite du flux de l'aimant permanent sur les éléments sensibles. Du fait de l'action des forces centrifuges, il se crée dans le shunt magnétique du détecteur de position du rotor, qui est parallèle à l'axe de rotation, un moment de flexion agissant sur le shunt à l'endroit de sa fixation sur la face extreme de l'induit et affectant la robustesse de cet induit ce qui, à son tour, provoque la limitation de la fréquence de rotation de l'induit. I1 est évident que les contraintes créées dans le shunt magnétique du détecteur sous l'action du moment de flexion, limitent l'emploi d'un tel détecteur dans un moteur rapide à commutation par semiconducteurs. De plus, la présence des entrefers axial et radial entre l'induit et l'ensemble fixe du détecteur complique la technologie de fabrication, ainsi que l'ajustage du détecteur. L'invention a pour but de créer un détecteur de position du rotor d'une machine électrique, dans lequel l'induit et les noyaux magnétiques de l'ensemble fixe soient réalisés et disposés l'un par rapport à l'autre de façon à permettre l'emploi du détecteur dans un moteur rapide a commutation par semiconducteurs en évitant les moments de flexion dans les éléments constitutifs de l'induit pendant sa rotation tout en conservant le facteur donné du signal de sortie. Par le facteur du signal de sortie, on entend le rapport entre la valeur de ce signal et celle du signal résiduel, c'est-à-dire du signal d ux aux f x de dispersion de l'aimant. Le problème posé est résolu grace å un détecteur de position du rotor, comportant un induit pourvu de secteurs de détection et de shunts magnétique en matériau tel que le fer doux se succédant les uns aux autres en alternxlce, ainsi qu' un ensemble fixe constitué par des aimants permanents raccordés à un noyau magnétique possédant une saillie recevant un élément magnétosensible situé dans la zone de passage des sec- teurs de détection.Conformément a l'inventioll, l'induit est réalisé sous la forme d'un noyau magnétique annulaire, les secteurs de détection et les shunts magnétiques de l'induit sont diamétralement opposés respectivement suivant un diametre extérieur et un diamètre intérieur du noyau magnétique annulaire et les aimants permanen-ts de l'ensemble fixe sont disposés dans la zone de passage du noyau magnétique annulaire de l'induit, chaque noyau magnétique de l'ensemble fixe comprenant une saillie supplémentaire située dans la zone du trajet des shunts magnétiques. Grâce à la réalisation de l'induit sous la forme d'un noyau magnétique annulaire, à l'extérieur et à l'intérieur duquel, alternativement, sont disposés des secteurs de détection et des shunts magnétiques, il devient possible d'éviter la création de moments de flexion lors de la rotation de 1 induit, ce qui permet un accroissement sensible de la fréquence tolérée de la rotation de ce dernier. La position des aimants permanents de l'ensemble fixe dans la zone de passage du noyau magnétique annulaire ainsi que la présence d'une saillie supplémentaire sur chaque noyau magnétique de cet ensemble fixe, dans la zone du trajet des shunts magnétiques de l'induit, permet de conserver le facteur désiré du signal de sortie. I1 est utile que les shunts magnétiques de l'induit soient constitués par des encoches ménagées dans le corps de l'induit. En formant les shunts magnétiques à l'aide d'encoches pratiquées dans le corps de l'induit, on parvient à simplifier la fixation de l'induit sur le rotor. Les avantages susmentionnés et d'autres encore, ainsi que les caractéristiques particulières de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous d'une variante préférée de réalisation représentée aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un détecteur de position du rotor, conforme à l'invention - la Fig. 2 représente l'induit du détecteur en coupe suivant la section II-II de la Fig. 1 ; et - la Fig. 3 représente une autre variante de réalisation de l'induit du détecteur de position du rotor, vue de face. I1 est à noter que les dessins annexés ne sont représentés que schématiquement et ne servent qu'a illustrer la présente invention sans aucunement limiter les dimensions des éléments faisant partie du détecteur objet de l'invention, ni les rapports entre ces dimensions. Le détecteur de position du rotor proposé comporte un induit 1 (Fig.l) fixé sur l'arbre 2 du rotor (non représenté) d'un moteur rapide à commutation par semiconducteurs, à l'aide d'une douille 3. L'induit 1 comprend un noyau magnétique annulaire 4 en un matériau tel que le fer doux (Fig.2), deux secteurs de détection 5 et deux shunts magnétiques 6 qui se suc cèdent alternativement le long de la circonférence et sont diamétralement opposés respectivement suivant un diamètre etérieur et un diamètre intérieur du noyau magnétique annulaire 4. Le nombre des secteurs de détection S et des shunts magnétiques 6 peut être bien plus grand, et etre égal au nombre de paires de pôles du rotor du moteur. Les secteurs de détection 5 et les shunts magnétiques 6 forment des saillies et font partie intégrante du noyau magnétique annulaire 4. Le noyau magnétique annulaire et les saillies peuvent également être réalisés séparément, la fixation des secteurs de détection et des shunts magnétiques sur le noyau magnétique annulaire est alors effectuée, par exemplet au moyen de soudures (non représentées). Le détecteur de position du rotor comporte également un ensemble fixe 7 (Fig.l) pourvu de deux aimants permanents 8, aimantés en direction axiale, qui sont fixés chacun à un noyau magnétique 9 muni de saillies 10, 11. Sur la saillie 10 de chaque noyau magnétique 9 est fixé, par exemple par collage, un élément magnétosensible 12. Le nombre d'aimants permanents et, par conséquent, celui des noyaux magnétiques et des éléments sensibles peut être plus grand ; il dépend du schéma de l'enroulement statorique du moteur, et notamment du nombre de phases d'enroulement, ainsi-que du schéma du commutateur électronique. L'induit 1 et l'ensemble fixe 7 sont montés dans le corps (non représenté) du détecteur de position du rotor de façon à ménager entre eux un entrefer 13. La valeur axiale de l'entrefer est déterminée en tenant compte des tolérances technologiques éventuelles de fabrication et de montage du détecteur. Cette disposition de l'induit et de l'ensemble fixe dans le corps du détecteur de position du rotor, qui prévoit la présence d'un seul entrefer axial, permet de simplifier la technologie d'assemblage du détecteur ainsi que ses ajus tage et entretienssdu du fait que l'on n'a à contrôler qu'un seul paramètre constructif, l'entrefer axial du capteur. D'autre part, l'induit 1 et l'ensemble fixe 7 sont montés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que les éléments magnétosensibles 12 portés par les saillies 10 des noyaux magnétiques 9 de l'ensemble fixe 7 se trouvent dans la zone du trajet des secteurs de détection 5 de l'induit 1, que les aimants permanents 8 de l'ensemble fixe 7 se placent dans la zone du trajet du noyau magnétique annulaire 4 de l'induit 1 et que les saillies 11 des noyaux magnétiques 9 de l'ensemble fixe 7 s'installent dans la zone de passage des shunts magnétiques 6 de l'induit 1. Une telle disposition de l'induit 1 et de l'ensemble fixe 7 permet d'obtenir la valeur requise de facteur du signal de sortie du détecteur. Selon l'invention, il est possible d'utiliser également d'autres modes de réalisation de l'induit du détecteur de position du rotor. Ainsi, la figure 3 représente un mode de réalisation de l'induit du détecteur, dans lequel les shunts magnétiques sont constitués par des encoches ménagées dans le corps de l'induit. Les éléments identiques des figures 3 et 2 portent les mêmes numéros de référence. Les secteurs de détection 5 (Fig.3) de l'induit 1, disposés sur la circonférence extérieure du noyau magnétique annulaire 4, constituent des saillies faisant partie intégrante de ce noyau magnétique annulaire 4. Les shunts magnétiques 6 sont formés par des lumières 14 ménagées dans le corps de l'in- duit 1. Les axes des lumières 14 et ceux des secteurs de détection 5 coïncident les uns avec les autres et permettent ainsi d'assurer une croissance et une diminution rapides du signal de sortie. La forme des lumières peut être absolument quelconque. Cependant, il est préférable de les réaliser sous une forme arquée ce qui permet d'obtenir la valeur minimale du shunt en direction radiale et, donc, de porter au maximum la robustesse de 11 induit. L'induit 1 est pourvu de trous 15 prévus pour le passage de boulons (non représentés) destinés à fixer l'induit 1 sur le rotor. Une telle conception de l'induit permet de simplifier sa fixation sur le rotor du moteur. Le détecteur de position du rotor fonctionne de la fa çon suivante. Lorsque le rotor du moteur se met à tourner, l'induit 1 (Fig.l) du détecteur de position, qui est fixé sur l'arbre 2 du rotor (non représenté), tourne et ferme successivement, a l'aide des secteurs de détection 5 (Fig.2j et des shunts magnétiques 6, le circuit du flux magnétique des aimants permanents 3 (Fig.1) de l'ensemble fixe 7. Ainsi, quand le secteur de détection 5 de l'induit 1 se trouve dans la zone de la saillie 10 portant l'élément magné- tosensible 12; le flux de l'aimant permanent 8 se ferme â travers l'entrefer 13, le noyau magnétique annulaire 4, le secteur de détection 52 l'entrefer 13, I'élémt magnétosensible 12, la saillie 10 et le noyau magnétique 9 de l'ensemble fixe 7, tandis que, lorsque le shunt magnétique 6 de l'induit 1 est placé dans la zone de la saillie 11 du noyau magnétique 9, le flux de l'aimant permanent 8 se ferme à travers l'entrefer 13, le noyau magnétique annulaire 4 de l'induit 1, le shunt magnétique 6, l'entrefer 13, la saillie Il et le noyau magnétique 9 de l'ensemble fixe 7.On voit que le flux magnétique ne passe pas dans ce cas à travers l'élément magnétosensible 12. Lors de sa rotation l'induit du détecteur de position du rotor n'est soumis qu'a l'effet d'efforts de traction ; les efforts de flexion et de compression ne se manifestent pas du fait que les directions des forces centrifuges agissant sur l'induit sont dans le plan de ce dernier. Comme la valeur des efforts de tracticn ne dépasse pas celle des efforts appliqués au rotor du moteur, il est possible d'employer le détecteur dans des moteurs tournant avec n'importe quelle fréquence. Les modes de réalisation de l'invention décrits montrent en toute évidence à l'homme de métier la possibilité de résoudre les problèmes posés. I1 va de soi que les variantes de réalisation de l'invention envisagées ne sont citées qu'a titre d'exemples sans aucunement limiter le cadre de l'invention et que de petites modifications de construction du détecteur sont possibles sans sortir pour autant de ce cadre. La construction du détecteur de position du rotor objet de l'invention, permet d'éviter l'apparition de moments de flexion lors de la rotation de l'induit en assurant un accroissement sensible de la robustesse de ce dernier et, par conséquent, une augmentation de la fréquence de rotation tolérée. En outre, le détecteur est de construction simplifiée tant sur le plan de sa fabrication que sur celui de son assemblage à la machine électrique et de son ajustage. R E V E N D I C A T I G N S 1 - Détecteur de position du rotor comportant un induit pourvu de secteurs de åétection et de shunts, en matériau magnétique tel que le fer doux, se succédant les uns aux autres en alternance ainsi qu'un ensemble fixe constitué par des aimants permanents qui sont fixés chacun a un noyau magnétique possédant une saillie recevant un élément magnétosensible situé dans la zone de passage des secteurs de détection, caractérisé en ce que l'induit est réalisé sous la forme d'un noyau magnétique annulaire (4), les secteurs de détection (5) et les shunts magnétiques (6) de l'induit etant diamétralement opposés respectivement suivant le diamètre extérieur et le diame- tre intérieur du noyau magnétique annulaire, et en ce que les aimants pcrmanents (8) de l'ensemble fixe (7) sont situés dans la zone de passage du noyau magnétique annulaire de l'induit, tandis que chaque noyau magnétique de l'ensemble fixe comporte une saillie supplémentaire (11) dans la zone du trajet des shunts magnétiques. 2 - Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les shunts magnétiques sont formés par des lumieres (14) ménagées dans le corps de l'induit.