Brevet FR2565045A1 — publié le 19851129

2565045' DISPOSITIF POUR LA DETECTION DE LA POSITION ANGULAIRE DU ROTOR D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A COMMUTATION ELECTRONIQUE. La présente invention concerne un dispositif pour la détec- tion de la position angulaire du rotor d'une machine élec- trique tournante telle qu'un moteur électrique à commutation électronique. D'une manière générale, on sait qu'une machine électrique tournante se compose habituellement d'un stator et d'un rotor équipés de deux circuits magnétiques respectifs mutuellement en regard et comprenant chacun une pluralité de pales magnétiques de polarité alternée. Ainsi, dans certaines de ces machines, le stator est conçu de manière à induire un champ magnétique stationnaire, tandis que le rotor est muni d'enroulements d'induit créant un champ magnétique tournant. L'interaction entre le champ magnétique du rotor et celui du stator, décalés l'un par rapport à l'autre, forme un couple électromagnétique. Afin de former un couple de direction constante, le sens du courant dans chaque enroulement d'induit doit changer quand il passe d'un pôle magnétique à l'autre du stator, de pola- rité opposée. Ce changement est généralement assuré au moyen d'un commutateur destiné à alimenter les bobines d'induit en fonction des positions relatives des champs magnétiques de -2- l'inducteur et de l'induit et d'un angle de décalage déter- miné. A l'inverse, selon un autre type de machine, le stator est muni d'enroulements inducteurs aptes à engendrer un champ magnétique tournant, tandis que le rotor est muni de pôles à champ magnétique constant. Dans ce cas, la machine comprend un commutateur permettant de changer le sens du courant dans les enroulements inducteurs en fonction de la position angulaire du rotor. Dans un cas comme dans l'autre, le commutateur doit néces- sairement faire intervenir un dispositif d'alimentation des différents enroulements dont on doit modifier le champ, un dispositif de détection de la position angulaire des pôles du rotor, et un sélecteur qui détermine le mode d'alimenta- tion de ces enroulements en fonction de ladite position angulaire et du sens de rotation désiré. En vue d'effectuer la détection de la position angulaire des pôles du rotor, de nombreuses solutions ont été déjà propo- sées, ces solutions faisant notamment intervenir des cap- teurs magnétiques, des capteurs capacitifs, des capteurs optiques ou même des capteurs à effet Hall. Pour ce dernier type de capteurs, une solution couramment utilisée consiste -à monter dans le stator une cellule à effet Hall qui fournit une tension représentative de la position du rotor par l'intermédiaire de son propre champ tournant. Toutefois, il s'avère que cette solution n'est pas toujours applicable et ne permet pas d'obtenir une bonne précision. Une autre solution consiste à utiliser un disque codé, en matériau ferromagnétique monté en bout d'arbre du rotor et, disposés de part et d'autre de ce disque, en vis-à-vis, un aimant permanent et une cellule à effet Hall. Un inconvé- nient de ce montage consiste en ce que sous l'effet du champ -3magnétique de l'aimant permanent, le disque en matériau ferromagnétique est le siège de courants de Foucault qui risquent de perturber le fonctionnement du moteur. En outre, en raison de la présence du disque, l'entrefer entre l'aimant permanent et la cellule est relativement important, ce qui conduit à utiliser des aimants relativement puissants risquant d'engendrer des parasites magnétiques, et des cellules à haute sensibilité. L'invention a donc pour but la réalisation d'un dispositif de détection utilisant des cellules à effet Hall qui soit exempt des inconvénients précédemment mentionnés et qui présente en outre les avantages suivants: une grande simplicité de conception et de mise en oeuvre et, en conséquence, un prix de revient peu élevé, - une bonne fiabilité et une bonne tenue à des températures élevées, - une grande facilité de maintenance grâce à une indépen- dance structurale avec le reste du moteur, et - une grande facilité de calage du détecteur par rapport aux bobinages statiques du moteur. Pour parvenir à ce résultat, le dispositif de détection selon l'invention se compose: - d'un disque monté coaxialement sur l'arbre moteur et comprenant une face radiale sur laquelle sont fixés des aimants permanents de polarité alternativement inversée et produisant un champ magnétique, des cellules de proximité à effet Hall disposées au voisinage de ladite face radiale et portées par une structure montée rotative sur le corps de la machine -4- tournante coaxialement à l'arbre moteur, et aptes à détecter la composante axiale dudit champ, - des moyens permettant un blocage en rotation de ladite structure sur ledit corps dans la position angulaire désirée. Selon un mode d'exécution particulièrement avantageux de l'invention, les susdits aimants permanents présentent la forme de secteurs circulaires agencés concentriquement de manière à recouvrir la susdite face radiale du disque, la fixation de ces secteurs pouvant être réalisée par collage. Il s'avère qu'en raison de la nature de l'induction magnéti- que au niveau de la transition d'un secteur à un autre, le changement d'état des cellules se produit alternativement avant et après le passage d'un secteur à un autre. En consé- quence, pour obtenir une détection correcte de la position, il convient d'adopter des angles de secteurs différents selon qu'il s'agit d'un secteur de pôle nord ou un secteur de pôle sud. Bien entendu, l'invention s'applique aussi bien aux machines électriques à rotor interne qu'aux machines à rotor externe. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe axiale d'un moteur équipé d'un dispositif de détection selon l'invention. La figure 2 est une vue éclatée schématique représen- tant la partie du moteur représenté figure 1 sur laquelle est monté le dispositif de détection. Tel que représenté sur ces figures, le moteur se compose, de façon classique, d'un corps tubulaire 1 renfermant un stator -5- bobiné 2 à l'intérieur duquel est monté rotatif un rotor à aimant permanent 3. Ce corps 1 est refermé à chacune de ses extrémités par un opercule ou flasque avant 4 et un opercule arrière 5 comprenant chacun un palier à roulement à billes 6, 7 traversé par l'arbre 8 du rotor 3. Sur l'extrémité de l'arbre 8 du rotor ressortant du palier 7 est monté un disque 9 dont la face radiale extérieure est recouverte par quatre aimants permanents 11, 12, 13, 14 en forme de secteurs circulaires concentriques, à savoir, deux aimants de pôle nord 11, 12 diamétralement opposés, et deux aimants de pôle sud 13, 14 également diamétralement opposés. Ces aimants 11 à 14 peuvent consister en des aimants de type aggloméré avec liant plastique, de faible coût mais réservé aux températures inférieures à 80 C ou métalliques aux terres rares pour des températures plus élevées. Comme précédemment mentionné, pour tenir compte des flux de fuite entre aimants, les angles au centre a des aimants permanents de pôle nord 11, 12 sont différents des angles au centre a' des aimants permanents de pôle sud 13, 14. Cette différence angulaire dépend notamment de la distance entre les cellules à effet Hall utilisées et les aimants perma- nents 11 à 14, de la nature de l'aimant utilisé et de la sensibilité desdites cellules. Par ailleurs, l'opercule arrière 5 comprend autour du palier 7, une partie manchonnée 16 qui s'étend axialement vers l'extérieur, sur laquelle est montée rotative une pièce annulaire 17, axialement retenue vers l'extérieur par un segment 18 monté dans une gorge circulaire prévue sur la partie manchonnée 16. Sur la surface extérieure de cette pièce annulaire 17 vient s'engager la jupe tubulaire 19 d'un capot 20, dont le fond 21 porte, du côté intérieur, un circuit imprimé 22 compor- tant trois cellules à effet Hall 23, 24, 25 disposées selon -6- un triangle équilatéral centré sur l'axe 26 de l'arbre 8 du rotor 3. Ce circuit imprimé 22, qui présente une forme circulaire, est monté de telle manière qu'une fois le capot 20 assemblé sur la pièce annulaire 17, il s'étende parallèlement au disque 9 et que l'entrefer entre les cellules à effet Hall 23 à 25 et les aimants 11 à 14 du disque 9 soit aussi faible que possible. La fixation du capot 20 sur la pièce annulaire 17 s'obtient par vissage au moyen de vis axiales 28. Il est clair que selon cette structure, le réglage de la position angulaire des cellules à effet Hall 23 à 25 par rapport à la position angulaire des pôles du stator 2, c'est-à-dire le calage du dispositif de détection, peut être facilement obtenu en faisant pivoter l'ensemble formé par le capot 20, le circuit imprimé 22 muni de ses cellules à effet Hall 23 à 25 et la pièce annulaire 17 par rapport au corps 1 du moteur sans avoir à effectuer aucun démontage. Le blocage en position peut ensuite être obtenu par exemple au moyen d'une vis de pression, par exemple l'une des vis 28 venant en fin de course buter sur l'opercule 5. Par ailleurs, la maintenance du dispositif de détection et du circuit élec- tronique qui lui est associé est considérablement facilitée par le fait que la partie du circuit de détection incorporé au moteur s'extrait en même temps que le capot 20 et peut ensuite être facilement testée ou même remplacée. On notera à ce sujet que le fait que les cellules à effet Hall 23, 24, se trouvent montées sur une même plaquette à circuit imprimé 22, permet une intégration maximum des circuits électroniques associés et, en particulier, l'emploi de circuits intégrés ou de circuits hybrides comportant tout ou partie de la fonction de détection et de mise en forme du signal de détection. Dans cette configuration, le moteur avec son électronique devient interchangeable avec un moteur à balais collecteurs classiques. -7- Cette disposition est particulièrement avantageuse pour la réalisation de moteurs à circuits électroniques intégrés de petite taille, par exemple de l'ordre de la dizaine de millimètres. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à un dispositif de détection faisant intervenir un disque 9 comprenant quatre aimants permanents 11, 12, 13, 14 et trois cellules à effet Hall. En effet, le nombre des aimants utilisés ainsi que le nombre de cellules à effet Hall sont variables en fonction de la résolution que l'on veut obtenir. - 8- Revendications de brevets 1. Dispositif pour la détection de la position angu- laire du rotor (3) d'une machine électrique tournante comprenant, montés à l'intérieur d'un corps (1), un stator (2) et un rotor (3) équipés de deux circuits magnétiques respectifs mutuellement en regard et comprenant une plurali- té de pôles magnétiques de polarité alternée, caractérisé en ce qu'il comprend: - un disque (9) monté coaxialement sur l'arbre (8) du rotor (3) et comportant une face radiale sur laquelle sont fixés des aimants permanents (11, 12, 13, 14) de polarité alternativement inversée et produisant un champ magnéti- que, - des cellules de proximité à effet Hall (23, 24, 25) disposées à proximité de ladite face radiale du disque (9) et portées par une structure (17, 20) montée rotative sur le corps (1) de la machine tournante coaxialement audit axe, et aptes à détecter la composante axiale du champ magnétique, - des moyens permettant un blocage en rotation de ladite structure (17) sur ledit corps (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits aimants permanents (11, 12, 13, 14) présentent la forme de secteurs circulaires jointifs agencés concentriquement de manière à recouvrir la susdite face radiale du disque (9). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les susdits aimants permanents (11, 12, 13, 14) sont collés sur la face radiale du disque (9). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'angle (a, a') des susdits secteurs est différent selon qu'il s'agit d'un secteur de p8le nord ou d'un secteur de pôle sud. - 9 - 5. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que la susdite structure sur laquelle sont montées les cellules de proximité (23, 24, 25) consiste au moins partiellement en un capot (20). 6. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les cellules de proximité (23, 24, 25) sont montées sur une plaquette de circuit imprimé (22) ou substrat, solidaire de la susdite structure ou du susdit capot (20) et sensiblement parallèle au susdit disque (9). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le susdit corps (1) est refermé d'un côté par un opercule arrière (5) muni d'un palier (7) au travers duquel passe l'arbre (8) du rotor (3), en ce que le susdit disque (9) est monté sur l'extrémité dudit arbre (8) ressortant du palier (7), en ce que l'opercule (5) comprend, autour du palier (7), une partie manchonnée (16) qui s'étend axialement vers l'extérieur et sur laquelle est montée rotative une pièce annulaire (17) axialement retenue, et en ce que sur la surface extérieure de cette pièce annulaire (17) est engagée la jupe tubulaire (19) du susdit capot (20). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fixation du capot (20) sur la susdite pièce annulaire (17) est assurée par des vis axiales (28). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le blocage en rotation du capot (20) est obtenu au moyen d'une des susdites vis (28) qui vient, en fin de vissage, en butée sur le susdit opercule (5).