Brevet FR2556897A1 — publié le 19850621

Moteur à courant continu sans balais. La présente invention concerne les moteurs munis d'un rotor à aimants permanents et sans balais, associé à un capteur de position angulaire commandant, après traitement électronique de ses signaux de sortie, les commutations dans les enroulements du stator du moteur. Les moteurs à courant contiu classiques emploient des collecteurs et des balais pour réaliser des commutations dans les enroulements situés au rotor. Cette solution a pour principaux inconvénients de créer un couple de frottement, de nécessiter une maintenance préventive, de limiter la durée de vie et d'être incompatible avec certains types d'environnement. Pour remédier à ces problèmes, il a été proposé antérieurement des moteurs à courant continu sans balais. Les aimants permanents sont situés au rotor. Les enroulements sont alors placés au stator et leurs commutations sont commandées électroniquement par un capteur de position angulaire du rotor. Ces capteurs utilisent généralement des composants photosensibles, des cellules à effet Hall ou des magnétorésistances. Ces solutions restent incompatibles avec les environnements poussiéreux, les températures élevées ou certaines atmosphères corrosives. I1 a aussi été envisagé d'utiliser un capteur inductif comme capteur de position angulaire mais cette solution a l'inconvénient de nécessiter soit l'usage de balais soit l'usage d'un ou plusieurs transformateurs tournants pour alimenter les enroulements rotoriques ou mesurer leurs tensions induites. Pour remédier aux inconvénients des enroulements situés au rotor du capteur, il a été envisagé d'utiliser un capteur de position angulaire à blindage magnétique interrompant le transfert d'énergie entre le primaire et le secondaire d'un transformateur fixe. Ce dispositif fonctionne à radio-fréquence ce qui a l'inconvénient de donner au secondaire un faible gradient de signal, d'autre part sa géométrie axiale a l'inconvénient de compliquer son montage. Le but principal de l'invention est de fournir un moteur à courant continu sans balais avec capteur de position angulaire et électronique associée, qui ne soit pas sujet à l'usure et qui puisse s'adapter facilement à un maximum d'environnements. L'invention a pour objet un moteur à courant continu sans balais à stator bobiné et rotor à aimants permanents, avec capteur de position angulaire et électronique associée, caractérisé en ce que le capteur comprend: - un rotor et un stator réalisés en tôles magnétiques empilées, - des enroulements secondaires bobinés au stator en nombre égal à celui des enroulements du moteur, identiques entre eux et décalés angulairement les uns par rapport aux autres, - un enroulement primaire bobiné au stator engendrant lorsqu'il est alimenté en courant alternatif et en présence d'un rotor non encoché, des flux inducteurs égaux en amplitude dans chaque enroulement secondaire. - un rotor dont les encoches font varier l'amplitude du flux inducteur dans les enroulements secondaires suivant des fonctions périodiques, de période égale à un tour de rotor divisé par le nombre de paires de pôles du moteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les ordres de commande de l'alimentation des enroulements du moteur sont les signaux de sortie d'une logique combinatoire, les signaux d'entrée étant les signaux issus des enroulements secondaires du capteur de position angulaire, redressés et mis en forme, - l'ordre de sens de couple est un signal d'entrée de la logique combinatoire, - des moyens sont prévus pour régler la position angulaire du stator du capteur de position angulaire par rapport au stator du'moteur de manière à régler les instants des commutations des enroulements du moteur par rapport à la position du rotor, ou à inverser le sens de marche du moteur. Selon l'invention, le moteur est constitué d'un rotor à aimants permanents et d'un stator à plusieurs enroulements décalés angulairement et dont le nombre de pôles est égal au nombre de pôles du rotor. Il comporte, de plus, un capteur de position angulaire constitué d'un rotor et d'un stator en tôles magnétiques empilées. Tous les enroulements sont bobinés au stator.L'enroulement primaire engendre, lorsqu'il est alimenté en courant alternatif et en présence d'un rotor non encoché, des flux inducteurs égaux en amplitude dans chaque enroulement secondaire. Les enroulements secondaires sont en nombre égal à celui des enroulements du moteur, identiques entre eux et décalés angulairement les uns par rapport aux autres. Le rotor est muni d'encoches qui font varier l'amplitude du flux inducteur suivant des fonctions périodiques de période égale à un tour de rotor divisé par le nombre de paires de pôles du moteur. Il comporte également une électronique associée constituée d'une logique combinatoire dont les variables d'entrée sont les signaux issus des enroulements secondaires du capteur de position angulaire, redressés et mis en forme ainsi qu'un signal d'ordre de sens de couple, et dont les variables de sortie sont les ordres de commande des commutateurs par lesquels sont alimentés en courant continu les enroulements du moteur. L'ordre dsinversion de couple peut être exécuté par un autre moyen en plaçant au secondaire du capteur de position angulaire, deux jeux d'enroulements identiques mais décalés angulairement d'un tour divisé par le nombre de pôles du moteur et en les reliant alternativement à la logique de commande, alors simplifiée, en fonction du signal d'ordre de sens de couple. Une modification de la logique combinatoire permet de modifier les caractéristiques du moteur. Il est de plus possible de régler les instants de commutation des enroulements du moteur par rapport à la position du rotor ou d'inverser le sens de couple du moteur par un dispositif de réglage de position du stator du capteur angulaire par rapport au stator du moteur. Dans les cas les plus difficiles, les composants électroniques peuvent être séparés du moteur et du capteur de position angulaire et mis dans un emplacement plus favorable. D'autres objectifs plus particuliers de l'invention sont de fournir un capteur de position angulaire robuste et simple àmettre en oeuvre, d'utiliser éventuellement des aimants terres rares-cobalt qui, grâce à leurs faibles dimensions, minimisent l'inertie de l'ensemble, d'avoir éventuellement un stator bobiné extérieur ce qui favorise l'évacuation de la chaleur et de pouvoir modifier les caractéristiques du moteur seulement par une modification de la logique combinatoire de commande. D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit faite avec référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un ensemble moteur à courant continu sans balais avec capteur de position angulaire et électronique associée, selon l'invention, la partie inférieure étant en élévation. La figure 2 est un schéma de principe du capteur de position angulaire. La figure 3 est un diagramme illustrant les variations des amplitudes des trois signaux de sortie du capteur. La figure 4 est un synoptique général de fonctionnement de l'ensemble moteur à courant continu sans balais, capteur de position angulaire, -électronique associée. La figure 5 est un schéma de principe.d'une variante permettant d'inverser le couple du moteur par une commutation-des secondaires du capteur. La figure 6 est un schéma de principe d'une variante de capteur de position angulaire pour un moteur diphasé six pôles. Le moteur à courant continu, sans balais avec capteur de position angulaire et électronique associée, choisi comme exemple pour illustrer l'invention est une version présentée sur la figure 1 où l'ensemble des composants électroniques est séparé du reste de la machine. A l'intérieur du carter 1 se situe le stator 2 du moteur, constitué d'un paquet de tôles magnétiques encochées, et dans lequel est réalisé un bobinage triphasé à huit pôles. Ce carter est fermé aux deux extrémités par les flasques 3 et 4 dans lesquels sont montés les roulements à billes 5. Le rotor 6 en matériau magnétique massif est collé sur l'arbre 7 et sert de support à huit aimants 8 terres rarescobalt fixés aussi par collage. Sur la sortie d'arbre côté flasque 3 est collé le rotor 9 du capteur angulaire. Le stator 10 du capteur angulaire est collé directement sur le flasque 3. Le rotor 9 et le stator 10 sont réalisés à partir de tôles ayant de bonnes propriétés magnétiques à fréquence d'excitation élevée. La position respective du flasque 3 et du carter 1 peut être réglée angulairement puis fixée à l'aide du collier 11. Un capot 13 est prévu pour protéger le capteur, et la fixation du flasque 4 sur le carter 1 est assurée au moyen de vis 12. Le principe de fonctionnement du capteur de position angulaire peut alors être décrit à l'aide de la figure 2. Le primaire représenté par la spire P1 engendre un champ magnétique alternatif dans l'entrefer. La forme des tôles du rotor 9 canalise ce champ sur des intervalles angulaires de 45" soit l'espace angulaire d'un pôle du moteur. Le secondaire constitué par trois enroulements représentés par les spires S1 , S2 , S3 fournira des tensions induites dont les amplitudes sont fonctions de la position angulaire K du rotor, périodiques de période 90 , soit l'espace angulaire de deux pôles du moteur, et chacune déphasée de 30 soit l'espace angulaire de deux pôles du moteur divisé par le nombre de phases du moteur. Ces fonctions sont schématisées sur la figure 3.Le fonctionnement de l'ensemble est représenté par la figure 4.Le capteur de position angulaire 14 alimenté par un oscillateur 15 fournit trois signaux C1 , C2 , C3 dont les amplitudes font une mesure absolue de la position angulaire o( sur l'espace angulaire de deux pôles du moteur.Ces trois signaux redressés puis mis en forme dans le circuit 16 sont alors appelés C'1 , C'2 , C'3 et constituent, avec le signal de sens de couple C'4 en provenance de la commande 17 de sens de couple , les variables d'entrée d'une logique combinatoire 18.Les signaux de sortie T1 à T6 de cette logique combinatoire sont les ordres d'ouverture ou de fermeture des six commutateurs montés en pont parallèle double dans le circuit de puissance 19.La tension U d'alimentation en courant continu, en provenance de la source 20, pourra ainsi être appliquée aux trois conducteurs A, B, C du moteur 21 en fonction de la succession des ordres de la logique combinatoire 18. Les divers constituants 15 à 20 de l'électronique associée sont de type connu en soi. La figure 5 représente une variante de réalisation du capteur schématisé sur la figure 2. Aux trois enroulements représentés par les spires S1, S2, S3 et identiques au cas précédent s'ajoute une deuxième série de trois enroulements représentés par les spires S4, S > S6 décalées par rapport aux premières de 45" soit l'espace angulaire d'un pôle du moteur.Le fait de relier soit les enroulements représentés par les spires S1, S2, S3 soit les enroulements représentés par les spires S4, S5, S, 6 inverse le sens du couple du moteur. Cette variante simplifie la logique combinatoire 18 en supprimant la variable d'entrée C'4. On doit remarquer que les caractéristiques du moteur peuvent être modifiées par un changement de la logique combinatoire 18. Cette invention a les mêmes applications que le moteur à courant continu et à aimants permanents. Elle est plus particulièrement susceptible d'applications industrielles dans les cas où l'usage de contacts frottants est gênant. Elle peut aussi être applicable pour les cas nécessitant une intertie du rotor minimale ou une évacuation thermique optimale. 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. Ces modifications peuvent porter en particulier sur le nombre de pôles et le nombre de phases,sur des différences de bobinage entre les enroulements secondaires ne changeant pas le principe du capteur, sur la position extérieure ou intérieure du rotor. Il est donc entendu que ce qui précède n'est aucunement limitatif. REVENDICATIONS 1. Moteur à courant continu sans balais à stator bobiné et rotor à aimants permanents, avec capteur de position angulaire et électronique associée, caractérisé en ce que le capteur comprend - un rotor (9) et un stator (10) réalisés en tôles magnétiques empilées, - des enroulements secondaires (S1, S2, S3) bobinés au stator en nombre égal à celui des enroulements du moteur, identiques entre eux et décalés angulairement les uns par rapport aux autres, - un enroulement primaire (P1) bobiné au stator engendrant lorsqu'il est alimenté en courant alternatif et en présence d'un rotor non encoché, des flux inducteurs égaux en amplitude dans chaque enroulement secondaire, - un rotor (9) dont les encoches font varier l'amplitude du flux inducteur dans les enroulements secondaires (S1, S2, S3) suivant des fonctions périodiques, de période égale à un tour de rotor divisé par le nombre de paires de pôles du moteur. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ordres de commande (T1, T2, T3, T4, T5, T6) de l'alimentation des enroulements du moteur sont les signaux de sortie d'une logique com binåtoire (18), les signaux d'entrée étant les signaus issus des enroulements secondaires (S1, S2, S3) du capteur de position angulaire, redressés et mis en forme (C'1, C'2, C'3). 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ordre de sens de couple (C'4) est un signal d'entrée de la logique combinatoire (18). 4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur comporte en outre au stator (10) un deuxième jeu d'enroulements secondaires (S4, S5, S6), 6 > iden- tiques aux premiers (S1, S2, S3) et décalés angulairement d'un tour divisé par le nombre de pôles du moteur. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour définir le sens de couple, on utilise comme signaux d'entrée de la logique combinatoire soit les signaux du premier jeu d'enroulements (S1, S2, S3) du capteur, soit ceux du deuxième jeu d'enroulements S4, S5, S6). 6. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens (11) sont prévus pour régler la position angulaire du stator du capteur de position angulaire par rapport au stator du moteur de manière à régler les instants des commutations des enroulements du moteur par rapport à la position du rotor, ou à inverser le sens de marche du moteur. 7. Moteur à courant continu sans balais, du type à stator bobiné et à rotor constitué d'aimants permanents, avec capteur de la position angulaire du rotor du moteur, et électronique associée pour la commande de la commutation des phases du moteur en fonction des signaux reçus du capteur de position angulaire, le capteur de position angulaire étant alimenté en courant alternatif par un oscillateur, caractérisé en ce que le capteur (14) de position angulaire comporte : un rotor (9), présentant des encoches à sa périphérie ; et un stator (10) muni d'un enroulement primaire (P1) et de trois enroulements secondaires (S1, S2 > S3) identiques et régulièrement répartis, ltenroulemelt primaire (P1) étant aliment: par l'oscillateur (15) ; de sorte que les enroulements secondaires (S1, S2, S3) fournissent à l'électronique associée (16, 18) des signaux d'entrée (C1, C2r C3) qui sont transformés pour définir les signaux (T1- T6) de commande de la commutation des phases du moteur (21). 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre des encoches du rotor (9) du capteur (14) de la position angulaire du rotor du moteur (21) est défini pour faire varier l'amplitude du flux inducteur dans les enroulements secondaires (S1, S2' S3) du capteur (14) suivant des fonctions périodiques dont la période est égale à un tour de rotor divisé par le nombre de paires de pôles du moteur.