Brevet FR2513453A1 — publié le 19830325

La présente invention a pour objet une machine et un dispositif d'entrainement électriques selon respectivement les revendications 1 et 2, les revendications 3 à 10 décrivant des formes de réalisation préférentielles pour différents modes d'utilisation du dispositif d'entrainement selon l'invention. Les moteurs pas à pas à rotor sans fer d'une part, et les moteurs à courant continu du même type avec commutateur mécanique présentent, à côté de leurs avantages bien connus, des inconvénients inhérents à la structure de ces moteurs. Ainsi le moteur pas à pas présente un amortissement très faible en fin de pas, son couple de démarrage est relativement faible et par conséquent l'accélération et la vitesse de déplacement du rotor sont limitées. Quant aux moteurs à courant continu, ils présentent comme principal inconvénient une usure du commutateur qui est particulièrement élevée pour de grandes vitesses de rotation et de forts courants. D'un autre côté, les moteurs à commutation électronique sont généralement assez complexes, notamment lorsqu'ils doivent être adaptés à différentes plages de fonctionnement. Enfin, les tacho-générateurs à courant continu connus ont l'inconvénient de ne pas permettre l'obtention d'une information de position et de vitesse précises La présente invention vise à fournir un dispositif d'entraînement permettant de pallier les défauts principaux des différents types de machines susmentionnées.Elle a notamment pour but de fournir un dispositif d'entraînement du type moteur pas à pas1 ayant un très bon amortissement en fin de pas ou permettant un déplacement continu à grande vitesse, ainsi que de fournir un dispositif d' D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'une forme de réalisation préférentielle. Le cessin annexé représente, à titre d'exemple, le schéma et la structure de base d'un tel dispositif d'entraînement et de la machine électrique correspondant. Plus particulièrement, la figure 1 est un schéma bloc d'un dispositif d'entrainement comprenant un ensemble moteur et un ensemble de commande, la figure 2 est un schéma plus détaillé d'une partie de l'ensemble de commande la figure 3 est un schéma d'une autre partie de l'enseluble de commande, la figure 4 est une vue simplifiée d'un dispositif de détection faisant partie de l'ensemble de commande selon la figure 3, la figure 5 est un diagramme des signaux du dispositif selon la figure 4, la figure 6 est une coupe axiale du rotor de I'ensemble moteur , et la figure 7 est une vue de dessus du support des balais de l'ensemble moteur Dans le schéma général selon la figure 1, qui s'appli Les extrémités des éléments de bobine du deuxième bobina?e 2 sont reliées chacune à une bague 51, 52, 53 d'un collecteur à bagues 5, ces bagues coopérant avec des balais respectives 54, 55, 56. Il est à noter que dans certaines applications, notamment lorsque des éléments de bobine sont destinés à des fonctions différentes, ces éléments sont connectés chacun à deux bagues séparées, alors que dans la figure les éléments ont des points de connexion communs reliés à une bague commune. Les balais 41, 42 sont reliés à un premier dispositif de commande et d'alimentation'à courant continu 3 servant à alimenter le bobinage 1 pour le faire travailler en tant que moteur ou servant à recevoir la tension engendrée par ce bobinage lorsqu'il travaille en tant que générateur. La partie de l'ensemble de commande reliée à ce bobinage comporte en outre un dispositif de détection, représenté par une résistance 16, permettant d'appliquer à un dispositif de discrimination 17 une tension proportionnelle au courant dans le bobinage 1. Les éléments de bobine du deuxième bobinage 2 sont re: par l'intermédiaire d'un collecteur 5, à un dt-'uxeme r sitif de commande et d'alimentation 6 à 9, poiphasé. dispositifs représentés par les blccs 6, 7 et 8 aJimenttiL les éléments de bobine sous la commande d'un dispositif commande et de décodage 9, lorsque ce bobinagc- cravail'e en tant que moteur, les tensions fournies par les élémen de bobine lorsque c'eux-ci travaillent en tant que générateur étant appliquées directement au dispositif de décodage 9 par les liaisons 91, 92, 93. Les tensions d'alimentation sont fournies auxdispositif. d'alimentation 3 et 6 à 8 à partir d'un dispositif central de commande 10, par l'intermédiaire de liaisons 18, 19. Le dispositif de commande 9 reçoit, par une liaison 20,des signaux de commande du dispositif central 10 selon le mode de fonctionnement de l'ensemble. Il fournit de son côté à ce dispositif, par une liaison 24, des signaux résultant des tensions engendrées par des éléments de bobine du bobinage 2. La figure 1 montre en outre un dispositif de détection 14 pouvant être prévu pour détecter la position du rotor ou la succession des positions du rotor de maniere à fournit un signal de phase à un dispositif de discrimination 15. Ce dispositif 15 reçoit d'autre part, par une liaison 25 Le dispositif de discrimination 17 est également relie au dispositif central de commande 10 pour recevoir, par une liaison 27,un signal de référence d'amplitude,et pour fournir au dispositif 10 par une liaison 28 un signal tel qu'un signal d'erreur issu de la compara'son entre le courant Sans le bobinage et une valeur de référence, ou pour fournir directement un signal dérivé de ce courant et représentant la vitesse du rotor ou, par intégration, la position de celui-ci. Par une combinaison des dispositifs indiqués dans le schéma général de la figure 1 et notamment par un agencement adéquat du dispositif central de commande 10 on peut réaliser différents modes de fonctionnement de l'ensemble du dispositif d'entraînement tels que par exemple les modes suivants. A. Fonctionnement essentiellement en tant que moteur pas à pas Ce fonctionnement peut avoir lieu sous forme d'un déplacement discontinu du rotor de pas en pas, ou sous forme d'un déplacement continu, les pas se succédant sans interruption. Dans le premier cas, on alimente le deuxième bobinage de manière connue, selon un mode de fonctionnement de moteur pas à pas et l'on utilise le premier bobinage pour amortir le mouvement à la fin du pas et, le cas échéant, pour accélérer le démarrage à chaque pas en produisant une action motrice s'ajoutant à celle du deuxième bobinage. Dans le dispositif selon la figure 1, la tension d'alimentation fournie au deuxième bobinage par la lisiaon 19 et par l'intermédiaire des dispositifs 6 à 8, est ainsi déterminée par le dispositif central de commande 10 en fonction du courant induit dans le premier bobinage,tel qu'iL est détecté par la chute de potentiel sur la résistance :6. La valeur instantanée de ce courant étant fonction de 1;* vitesse du rotor, on compare cette valeur, dans une première forme de réalisation du dispositif 17, à une valeur de référence fournie par le dispositif 10 sur la liaison 27 pour déclencher le freinage du rotor par un siqnal de commutation apparaissant sur la liaison 28 dès que le rotor a atteint une certaine vitesse. Selon une variante d'exécution, on intégre dans le dispositif 17 le courant détecté et or. obtient ainsi une mesure approximative de la position du rotor. Lorsque l'-intégrale du courant atteint une valeur de référence déterminée, donc le rotor une position voulue, le dispositif 17 fournit sur 28 le signal de commutation déclenchant le freinage. Le freinage peut être réalisé dans une certaine mesure par un simple court-circuit du premier bobinage. De préférence, on agit cependant sur la tension d'alimentation du deuxième bobinage en faisant travailler le premier bobinage,à la suite de l'apparition du signal de commutation, en tant que générateur pour commander la tension d'alimentation du deuxième bobinage, de manière à amortir le mouvement du rotor à la fin du pas. Il est à noter qu'ùn tel amortissement est possible grâce au fait que dans un dispositif à rotor sans fer la constante de temps électronique est beaucoup plus faible, soit d'environ deux ordres de grandeur, que la constante de temps mécanique. Au début du pas et en général jusqu'à l'apparition du signal de commutation, on enclenche de préférence l'alimentation du premier bobinage en même temps que celle du deuxième bobinage pour obtenir un couple de démarrage plus important. De façon similaire, on utilise le premier bobinage, dans le cas d'un déplacement continu à grande vitesse sur un certain nombre de pas, pour obtenir un couple supplémentaire. L'alimentation de ce bobinage est alors effectué, à partir du dispositif central de commande, par l'intermédiaire du dispositif 3, selon le mode de fonctionnement d'un moteur à courant continu. Un tel ensemble moteur à courant continu - moteur pas i pas est dans une certaine mesure autoasservi. En effet, commutation du moteur à courant continu s'effectue en principe toujours de façon à fournir le couple maximal. Dans le moteur pas à pas, ce couple depend de la phase dî l'impulsion d'alimentation. Dans l'ensemble des deux moteurs, lorsque le rotor présente une avance sur l'enclenchement des impulsions d'alimentation, le couple diminue dans la même mesure que cette avance, tandis que le couple augmente lors d'un retard du rotor. Par un décalage adéquat des balais du moteur à courant continu on peut ainsi régler le déphasage de façon à obtenir le couple optimum. Le couple fourni par le moteur à courant continu diminue lorsque la vitesse augmente. On peut donc commander la tension d'alimentation fournie par le dispositif 3 en fonction ce la différence entre le courant détecté au moyen de la résis- tance 16 et une valeur de référence fournie par le dispositif central 10 sur la liaison 27, pour obtenir un asservissement grossier de la vitesse du moteur à courant continu. Un asservissement plus précis est réalisé par la détection de la vitesse du rotor au moyen d'un dispositif de détection tel que 14,fournissant un signal lié à la position angulaire du rotor, ce signal étant comparé dans le dispositif de discrimination 15 avec une fréquence de référence, de façon à fournir un signal d'erreur utilisé dans le dispositif central de commande 10 pour commander la tension d'alimentation du dispositif 3. Cette commande permet de maintenir la bretesse du rotor pratiquement constante. B. Fonctionnement essentiellement en tant que moteur à courant continu Dans ce cas,le premier bobinage fonctionnant selon un mode de moteur à courant continu, peut être assis-é par un moteur polyphasé, par exemple triphasé selon la figure 1, commay-re par un dispositif de commutation électronique à partir di dispositif central 10. Au démarrage, le premier bobinage est seul alimenté et son courant est détecté par l'intermé- diaire de la résistance 16.Lorsque la valeur de ce courait atteint une valeur de référence fournie par le dispositif de commande central 10, le dispositif de discrimination 17 fournitsur la liaison 28 un signal d'alimentation du deuxième bobinage selon un mode de moteur à commutation électronique, c'est-à-dire sous la commande de signaux fournis par un dispositif de détection de la position du rotor tel que le dispositif 14. Ces signaux sont utilisés. par l'intermédiaire du dispositif central 10 et du dispositif de décodage 9, pour la commande des dispositifs d'alimentation 6 à 8. La tension d'alimentation fournie sur la liaison 19 est asservie par le signal apparaissant à la sortie du dispositif de discrimination 17 sur la liaison 28, soit de façon continue, soit de façon discontinue, c'est-à-dire par un enclenchement de l'alimentation du deuxième bobinage lorsque le courant dans le premier bob nage atteint une limite supérieure ou une limite inférieure déterminées par des valeurs de référence respectives fournies au dispositif de discrimination 17. Le deuxième bobinage peut également fonctionner en tant que générateur et fournir à la sortie du dispositif décodeur 9 un signal contenant une information précise sur la position, la vitesse ou le sens de rotation du rotor. Cette dernière fonction du deuxième bobinage peut le cas échéant être combinée avec la fonction motrice mentionnée plus haut. Dans ce cas, le ou les éléments de bobine qui ne sont pas alimentés à un certain moment, peuvent fonctionner en tant qu'éléments de générateur. Ceci nécessite une connexion séparée des extr-mìtés de chaque élément de bobine par l'intermédiaire de deux bagues de collecteur respectives. La figure 2 montre un schéma plus détaillé d'un circuit d commande du premier bobinage, dans lequel des amplificate rs opérationnels 17' 17", 17"' sont utilisés comme dispositi± de discrimination recevant des tensions de référence par des liaisons 27', 27", 27"' à partir du dispositif centra 10. La figure 3 montre un circuit de commande du deuxième bobi- nage travaillant selon un mode de moteur à commutation électronique, et les figures 4 et 5 montrent respectivement l'agenceMent d'un détecteur 14 et les signaux de sortie de ce détecteur. Comme l'indique la figure 3, le détecteur comporte par exemple 3 canaux D1, D2 et D3 et peut être un détecteur optique utilisant un disque d'obturation 14', mais bien entendu un détecteur similaire peut être réalisé par exemple sous forme d'un détecteur magnétique ou capacitif. Une autre forme du dispositif de détection déjà mentionnée, consiste à utiliser des éléments de bobine non alimentés du deuxième bobinage pour produire un signal de détection reflétant les positions successives du rotor. Les impulsions fournies par le détecteur 14 selon la figure 4 sont traitées dans le dispositif 9 de façon à engendrer les tensions d'alimentation des éléments de bobine 21, 22, 23 par exemple selon les relations logiques suivantes U21 = D1 . D2 2 U22 = D2 . D3 U23 3 1 Les figures 6 et 7 illustrent une forme de réalisation d'tn ensemble moteur à deux bobinages comportant chacun trois éléments de bobine. La figure 6 montre le rotor d'un tel ensemble comportant des bobinages cylindriques autoportants 1,2 et un support essentiellement en forme de disque 60. Ce support est monté sur l'axe 61 de l'ensemble moteur , qui, dans sa construction générale, est similaire au moteur à rotor sans fer en forme de cloche bien connu (cf. par exemple le brevet suisse No 604.417). Dans le présent cas,le support 16 est muni dtune part de bagues de collecteur 51, 52, 53 et,d'autre part, de segments d'un collecteur à segments 4. La figure 7 montre le support des balais des deux collecteurs. ce support faisant partie du stator de l'ensemble moteur Les paires de balais 54', 54"; 55', 55"; 56', 56" coopèrent respectivement avec les bagues 51, 52 et 53 dans le sens axial du rotor, et les deux balais 41, 42 coopèrent avec les segments du collecteur 4 dans le sens radial. La machine électrique selon cette construction permet de réaliser, au moyen de l'ensemble de commande décrit, un dispositif d'entraînement présentant les avantages et possibilités d'application indiquées plus haut. REVENDICATIONS 1. Machine électrique comportant un rotor sans fer, en forme de cloche, muni d'au moins un bobinage cylindrique formé de plusieurs éléments de bobine, ces éléments étant connectés à des organes de collecteur, et un stator préser.- tant un circuit magnétique avec un aimant permanent et un entrefer dans lequel sont disposés le ou les bobinages du rotor, caractérisé en ce que le rotor comporte un premier bobinage dont les éléments sont connectés en série entre eux, les points de connexion communs étant reliés aux segments d'un collecteur à segments, ainsi qu'un deuxième bobinage dont les éléments ont leurs extrémités reliées chacune à une bague d'un collecteur à bagues,chaque bague étant reliée à au moins une extrémité d'un élément de bobine. 2. Dispositif d'entralnement électrique comprenant un ensemble moteur et un ensemble de commande, l'ensemble moteur comportant un stator et un rotor sans fer, en forme de cloche, muni d'au moins un bobinage cylindrique formé de plusieurs éléments de bobine, ces éléments étant connectés, par l'intermédiaire d'organes de collecteur à l'ensemble de commande, le stator de l'ensemble moteur comportant un circuit magnétique avec un aimant permanent et un entrefer dans lequel sont disposés le ou les bobinas du rotor, caractérisé en ce que le rotor comporte un premier et un deuxième bobinages(l,2) et l'ensemble de commande comporte un premier dispositif de commande et d'alimentation, à courant continu, (3) connecté, par l'intermédiaire d'un collecteur à segments (4), audit premier bobinage (1), un deuxième dispositif de commande et d'alimentation, polyphasé, (6 à 9)connecté, par l'intermédiaire d'un collecteur à bagues (5), audit deuxième bobinage (2), un dispositif central de commande (10), au moins un dispositif de détection (13,16) et au moins un dispositif de discrimination (15, 17), le ou les dispositifs de détection étant agencés pour fournir une information quant à la position du rotor et/ou l'amplitude et/ou à la phase et/ou à la fréquence des courants dans lesdits premier et/ou deuxième bobinages, le ou les dispositifs de discrimination étant agencés pour comparer au moins une grandeur dérivée de l'information fournie par le ou les dispositifs de détection avec au moins une valeur de référence de cette grandeur fournie par le dispositif central de commande, et pour fburnir un signal issu de cette comparaison au dispositif central de commande, ce dernier étant agencé pour commander lesdits premier et deuxième dispositifs de commande et d'alimentation en fonction des signaux du ou des dispositifs de discrimation, de façon à faire travailler, à un instant donné, lesdits bobinages du rotor ou des parties de ceux-ci, sélectivement en tant qu'éléments moteurs ou générateurs, conformément au mode de fonctionnement souhaité. 3. Dispositif selon la revendication 1 fonctionnant en tant que dispositif d'entraînement pas à pas, caractérisé en ce que le dispositif central de commande est agencé pour commander l'alimentation du deuxième bobinage selon un mode de fonctionnement de moteur pas à pas et pour réaliser un fonctionnement du premier bobinage en tant que générateur de courant continu, un dispositif de détection étant agencé pour détecter le courant dans le premier bobinage, le dispositif central de commande étant en outre agencé pour commander la tension d'alimentation du deuxième bobinage en fonction du courant induit dans le premier bobinage, de façon à amortir le mouvement du rotor à la fin de chaque pas. 4. Dispositif selon la revendication 1 fonctionnant en tant qu. dispositif d'entraînement pas à pas, caractérisé en ce que le dispositif central de commande est agencé pour commander l'alimentation du deuxième bobinage selon un mode de fonctionnement de moteur pas à pas et pour enclencher l'alimentation du premier bobinage au début de chaque pas de façon à produire une action motrice additionnelle, et pour commuter ensuite ce bobinage lors de l'apparition d'un signal de commutation, de façon à faire travailler ce bobinage en tant que générateur de courant continu, un dispositif de détection étant agencé pour détecter le courant moteur dan; le premier bobinage et un dispositif de discrimination étant agencé pour fournir le signal de commutation au dispositif central de commande, lorsque le courant moteur ou l'intégrale de ce courant par rapport au temps, atteint une valeur de référence fournie par le dispositif central de commande, le dispositif central de commande étant en outre agencé pour commander la tension d'alimentation du deuxième bobinage en fonction du courant induit dans le premier bobinage,de façon à amortir le mouvement du rotor à la fin de chaque pas. 5. Dispositif selon la revendication 1 fonctionnant en tant que dispositif d'entraînement pas à pas, caractérisé en ce que le dispositif central de commande est agencé pour commander l'alimentation du deuxième bobinage selon un mode de fonctionnement de moteur pas à pas, pour enclencher l'alimentation du premier bobinage au début de chaque pas de façon à produire une action motrice additionnelle, et pour commuter ensuite ce bobinage de façon à le courtcircuiter à la fin de chaque pas lors de la production d'un signal de commutation, un dispositif de détection étant agencé pour détecter le courant moteur dans le premier bobinage et un dispositif de discrimination étant agencé pour fournir le signal de commutation au dispositif central d commande lorsque le courant moteur ou l'intégrale de ce courant par rapport au temps, atteint une valeur de référence fournie par le dispositif central de commande, de façon à amortir le mouvement du rotor à la fin de chaque pas. 6. Dispositif selon la revendication 1 fonctionnant en tant que dispositif d'entraînement à grande vitesse, caractérisé en ce que le dispositif central de commande est agencé pour commander l'alimentation du deuxième bobinage selon un mod. de fonctionnement de moteur pas à pas et pour réaliser un fonctionnement du premier bobinage en tant que moteur à courant continu, et en ce que l'ensemble de commande comporte un dispositif de détection du courant dans le premier bobinage et un dispositif de discrimination de l'amplitude de ce courant, relié audit dispositif de détection et au dispositif central de commande pour recevoir de ce dernier un signal de référence et pour lui fournir un signal issu de la comparaison de la valeur de référence avec l'amplitude du courant détecte,le dispositif central de commande étant agencé pour commander l'alimentation du premier bobinage en fonction dudit signal du dispositif de discrimination de manière à maintenir la vitesse du rotor approximativement constante. 7. Dispositif selon la revendication 1 fonctionnant en tant que dispositif d'entraînement à grande vitesse, caractérisé en ce que le dispositif central de commande est agencé pour counander l'alimentation du deuxième bobinage selon un mode de fonctionnement de moteur pas à pas et pour réaliser un fonctionnement du premier bobinage en tant que moteur à courant continu, et en ce que l'ensemble de commande comporte un dispositif de détection des positions successives du rotor et un dispositif de discrimination relié à ce dispositif de détection et au dispositif central de commande pour recevoir de ce dernier un signal de fréquence de référence et pour lui fournir un signal issu de la comparaison de la fréquence de référence avec la fréquence de passage par les positions successives du rotor, le dispositif central de commande étant agencé pour commander l'alimentation du premier bobinage en fonction dudit signal du dispositif de discrimination, de manière à maintenir a vitesse du rotor constante. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de détection est constitué par les eleme ts de bobine du deuxième bobinage successivement non alimente , le courant induit dans ces éléments de bobine constituant un signal de position. 9. Dispositif selon la mvendication 1, caractérisé en ce que le dispositif central de commande est agencé pour commander l'alimentation du premier bobinage selon un fonctionnement de moteur à courant continu et l'alimentation du deuxième bobinage selon un fonctionnement de moteur à courant alternatif polyphasé, l'ensemble de commande comportant un dispositif de détection du courant dans le premier bobinage et au moins un dispositif de discrimination de l'amplitude de ce courant, relié à ce dispositif de détection et au dispositif central de commande pour recevoir de ce dernier un signal de référnce et pour lui fournir le signal issu de la comparaison de la valeur de référence avec l'amplitude du courant détecté, le dispositif central de commande étant agencé pour commander l'amplitude et/ou la fréquence de la tension d'alimentation du deuxième bobinage en fonction dudit signal du dispositif de discrimination. 10. Dispositif d'entraînement électrique comprenant un ensemble moteur et un ensemble commande , l'ensemble moteur comportant un stator et un rotor sans fer, en forme de cloche, muni d'au moins un bobinage cylindrique formé de plusieurs éléments de bobine, ces éléments étant connectés, par l'intermédiaire d'organes de collecteur, à l'ensemble de commande , le stator de l'ensemble moteur comportant un circuit magnétique avec un aimant permanent et un entrefer dans lequel sont disposés le ou les bobinages du rotor, caractérisé en ce que le rotor comporte un premier et un deuxième bobinages et l'ensemble de commande comporte un dispositif de commande et d'alimentation à courant continu connecté, par l'intermédiaire d'un collecteur à segments, audit premier bobinage, et un dispositif de discrimination polyphasé connecté, par l'intermédiaire d'un collecteur à bagues audit deuxième bobinage et agencé pour fournir un signal contenant l'information relative à la position, à la vitesse et au sens de rotation du rotor.