Brevet FR2600467A1 — publié le 19871224

MOTEUR A COURANT CONTINU, A COMMUTATION ELECTRONIQUE. L'invention est relative à un moteur à courant continu, à commutation électronique, du genre de ceux qui comportent un stator ayant plusieurs enroulements décalés angulairement, et des moyens de commutation électronique pour alimenter successivement les enroulements de manière à créer un champ tournant pour l'entraînement du rotor. On connait de nombreux types de moteurs à commutation électronique. Dans tous ces moteurs, on est amené à commuter du courant dans des selfs, ce qui se traduit par des surtensions qu'il convient d'écreter pour ne pas avoir à utiliser des composants, notamment des semi-conducteurs, haute tension qui sont beaucoup plus coûteux que des composants basse tension, notamment dans le cas de transistors MOS. Par ailleurs, comme dans toute machine tournante, la rotation du rotor engendre des tensions induites, dites forces électromotrices ou contre-électromotrices selon le type de la machine. De telles tensions induites se développent, en particulier, dans ceux des enroulements d'un moteur à commutation électronique qui sont momentanément coupés de l'alimentation par les moyens de commutation électronique. Pour le bon fonctionnement du moteur, il convient que ces tensions induites puissent se développer normalement, sinon il en résulterait un freinage inacceptable du moteur. I1 convient donc d'éviter que les moyens prévus pour écreter les surtensions, au moment des commutations, n'interviennent de façon défavorable au niveau des tensions induites. Mais, il convient, parallèlement, que ces tensions induites soient aussi faibles que possible de manière à ne pas nécessiter de seuil trop élevé pour les moyens d'écretage qui deviendraient trop coûteux. I1 est souhaitable, en outre, que les moyens de commutation électronique tout en assurant un fonctionnement correct du moteur, comportent un nombre aussi réduit que possible de composants électroniques, notamment de transistors, pour réduire le coût du moteur. L'invention a pour but, surtout, de fournir un moteur à commutation électronique du genre défini précédemment qui réponde mieux que jusqu'à présent aux diverses exigences de la pratique et qui, en particulier, fonctionne d'une manière satisfaisante avec un minimum de composants électroniques qui n'ont pas besoin d'être capables de résister à des tensions trop élevées. Selon l'invention, un moteur à courant continu, à commutation électronique, du genre défini précédemment est caractérisé par le fait que le stator comporte au moins quatre enroulements bvar.cklés en etoile, et que les moyens de coma.u- tation électronique comprennent un seul moyen interrupteur associé à chaque enroulement et prévu entre l'extrémité de cet enroulement opposée au point central de l'étoile et une ligne d'alimentation du moteur, les deux enroulements de deux branches opposées de ltétoile étant reliés par les susdits moyens interrupteurs à l'une des lignes d'alimentation du moteur, tandis que les deux autres enroulements des deux autres branches opposées de l'étoile sont reliés à l'autre ligne d'alimentation du moteur. Avantageusement, la disposition des enroulements du stator et la commande des moyens interrupteurs sont effectuées de manière telle que le champ magnétique progresse d'un pas de 90 à chaque commutation. De préférence, les moyens de commutation électronique sont agencés pour réaliser la fermeture des moyens interrupteurs suivant une séquence qui permet d'alimenter deux enroulements successifs et de progresser, à chaque pas, d'un enroulement suivant un sens de rotation prédéterminé. Les moyens interrupteurs sont constitués, de préférence, par des transistors MOS. Les enroulements du stator ont avantageusement le même nombre de spires De préférence, le moteur comporte quatre diodes de roue libre, une diode étant associée à chaque enroulement, les deux diodes associées aux deux enroulements dont les extrémités sont reliées, par les moyens interrupteurs, à la ligne d'alimentation +, étant reliées par leur cathode auxdites extrémités des enroulements et, par leur anode, à la ligne d'alimentation -, tandis que les deux autres diodes sont reliées par leur anode à l'extrémité respective des deux autres enroulements et, par leur cathode, à la ligne d'alimentation' +. Avantageusement, deux des moyens interrupteurs (ceux reliés à la ligne -) servent à effectuer un découpage pour limiter le courant, deux diodes associées à ces moyens interrupteurs tenant lieu alors de diodes de roue libre. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un mode de réalisation particulier décrit avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1, de ces dessins, est un schéma simplifié d'un moteur à commutation électronique conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation de l'onde de tension (portée en ordonnées) en fonction du temps (porté en abscisses) observée à l'extrémité de l'une des phases. La figure 3 est une représentation de l'onde de tension en fonction du temps observée à une autre extrémité d'une autre phase. La figure 4 représente, semblablement à la figure 2, l'onde de tension pour la vitesse maximale à vide. La figure 5 représente l'onde de tension à une même extrémité de phase que dans le cas de la figure 3, mais dans le cas où le courant est modifié par découpage. La figure 6, enfin, représente les variations du couple moteur et du couple résistant, portés en ordonnées, en fonction de la vitesse de rotation portée en abscisses. En se reportant à la figure 1 des dessins, on peut voir un moteur à courant continu M, à commutation électronique, dont l'alimentation électrique est assurée par deux lignes 11, 12 correspondant respectivement aux pôles + et d'une source de tension continue. Le moteur M comporte un stator S comprenant quatre enroulements El, E2, E3, E4, branchés en étoile à partir d'un point central O auquel est reliée une extrémité de chaque enroulement. Ces enroulements sont décalés angulairement, de préférence de 900 l'un par rapport à l'autre dans l'exemple considéré. En pratique, le stator S est constitué par une sorte de carcasse délimitant une ouverture -------------------- circulaire à l'intérieur de laquelle est monté rotatif un rotor R schématiquement représenté sur la figure 1. Ce rotor R est généralement du type à aimants permanents ou à ferrites. Les enroulements El, E2, E3, E4 sont répartis régulièrement autour de l'ouverture circulaire. Le moteur comprend, en outre, des moyens de commutation électronique 1 propres à alimenter successivement les enroulements El ... E4 de manière à créer un champ magnétique H tournant pour l'entraînement du rotor R. Les moyens de commutation électronique i comprennent un circuit logique 2 propre à commander la séquence souhaitée d'alimentation des enroulements. Les moyens de commutation électronique 1 comprennent, en outre, un seul moyen interrupteur Ti, T2, T3, T4, associé à chaque enroulement El ... E4, et prévu entre l'extrémité de cet enroulement opposée au point central O de l'étoile, et une des lignes d'alimentation 11, 12. Les deux enroulements de deux branches opposées de l'étoile sont reliés, par leurs moyens interrupteurs, à la même ligne d'alimentation. Ainsi, les deux enroulements El, E3 de deux branches opposées de l'étoile sont reliés à la ligne d'alimentation il (+) par leurs moyens interrupteurs respectifs T1, T3. Les enroulements E4, E2 des deux autres branches opposées de l'étoile sont reliés, par leurs moyens interrupteurs respectifs T4, T2 à la ligne d'alimentation 12 (-) Les moyens interrupteurs T1, ... T4 sont constitués, de préférence, par des transistors MOS. Une diode de roue libre Di, D2, D3, D4, est associée, respectivement, à chaque enroulement El, ... E4. Pour les deux enroulements El, E3, dont les extrémités opposées au point central O sont reliées à la ligne 11 par T1 et T3, les diodes respectives D1 et D3 ont leur cathode reliée à l'extrémité de l'enroulement et leur anode reliée à la ligne 12, branchée sur la borne -. Pour les deux autres enroulements E2, E4, dont les extrémités opposées au point central 0 sont reliées par T2 et T4 à la ligne 12, les diodes respectives D2 et D4 ont leur anode reliée à l'extrémité de l'enroulement associé et leur cathode reliée à la ligne 11 branchée sur la borne + Les enroulements E1...E4 du stator ont de préférence le même nombre de spires. Le circuit logique 2 est agencé de manière à ommander la fermeture des interrupteurs T7...T4 suivant une séquence qui -permet d'alimenter deux enroulements successifs et de progresser à chaque pas d'un enroulement, selon un sens de rotation prédéterminé. Dans l'exemple envisagé, le sens de rotation-pour le champ magnétique créé par le stator est celui des aiguilles d'une montre. La séquence de fermeture des interrupteurs est la suivante. Tout d'abord les interrupteurs T1, T2 sont fermés, les autres interrupteurs restant ouverts . Le courant Il circule dans les enroulements El, E2 en série, suivant le sens de la flèche portée sur la figure 1. Le sens suivant lequel sont enroulées les spires des enroulements E7 et E2 est choisi de manière que le champ magnétique résultant du courant il qui circule dans ces deux enroulements soit représenté par la flèche H1 de la figure 1, orientée suivant la bissectrice des axes des enroulements. Pour obtenir une telle orientation du champ magnétique H1 on peut adopter un sens d'enroulement des spires de El opposé à celui des spires de E2 ; en variante, on peut bobiner El et E2 dans le même sens et relier point 0 (centre) soit-l'entrée, soit la sortie. Pour la phase suivante de la séquence, les interrupteurs T2 et T3 sont fermés et un courant I2, de mêmeintensité que le courant I1, circule dans les enroulements E3 et E2 comme schématisé par la flèche sur la figure 1. Le champ magnétique représenté par la flèche H2 est créé, ce champ étant décalé de 900 par rapport à H1 dans le sens des aiguilles d'une montre. Là encore, le sens d'enroulement des spires de E3 est opposé à celui des spires de E2, ou en variante, E2 et E3 sont bobinés dans le même senset soit l'entrée soit la sortie est reliée au point 0. Au cours de cette seconde phase, les interrupteurs T1 et T4 sont ouverts. Lors de la troisième phase, les interrupteurs T3 et T4 sont fermés et le courant I3 qui circule dans les enroulements E3 et E4 engendre le champ représenté par la flèche H3, décalée de 90 dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à H2. Les spires de E4 sont enroulées en sens inverse de E3 si bien que les spires de E4 sont enroulées dans le même sens que celles de E2 ; il en est de même pour les enroulements El et E3. Au cours de cette phase, les interrupteurs T1 et T2 sont ouverts. Enfin, pour la quatrième phase, les interrupteurs T4 et T1 sont fermés, tandis que T2 et T3 sont ouverts. Le courant I4 circule dans les enroulements E1 et E4. Le champ magnétique représenté par le flèche H4 est produit, ce champ étant décalé de 90 dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à H3. L'étape suivante est constituée par le retour à la première phase décrite précédemment. Le point central O est toujours au milieu de deux enroulements en série, l'extrémité de l'un étant reliée à la borne + d'alimentation et se trouvant à la tension +U, tandis que l'extrémité de l'autre enroulement est reliée à la borne - c'est-à-dire qu'elle se trouve à la tension nulle. Dans un moteur conforme à l'invention, le courant circule toujours dans le meme sens dans un enroulement donné, au cours des deux séquences successives mettant en jeu cet enroulement. Par ailleurs, lorsque le moyen interrupteur associé à un enroulement est ouvert, l'extrémité dudit enroulement opposée au point central O est portée à une tension qui est la somme algébrique de la tension induite dans l'enroulement par la rotation du rotor R et de la tension au point central 0. Les surtensions apparaissent à la coupure, c'est-àdire lors de l'ouverture des moyens interrupteurs. Les diodes de roue libre D1...D4 permettent de supprimer ces surtensions de coupure, sans modifier les tensions induites dans les enroulements du fait que ces tensions restent à l'intérieur des limites de l'alimentation. La présence des diodes de roue libre D1...D4 dans le moteur conforme à l'invention n'a donc pas d'influence néfaste sur son fonctionnement. Ces tensions,induites dans les enroulements par la rotation , ont des allures sinusoidales et se développent positives et négatives par rapport au point 0. Sur la figure 2 on a représenté - en trait plein tonde effectivement observée à l'oscilloscope à l'extrémité d'une des phases reliée au + (A par exemple) quand le moteur tourne - en pointillé, la forme de la force contre électromotrice induite, f.c.é.m. Le créneau k correspond à la surtension de coupure. La figure 3 exactement symétrique e la figure 2, par rapport à u/2 représente ltonde présente aux extrémités reliées au batterie (B par exemple). Pour une phase déterminée donc la f.c.é.m. s'oppose à l'entrée du courant quand cette phase est commandée, et d'autant plus que la vitesse est élevée, la f.é.m. ( force électromotrice) qui en est le prolongement, se développe à son extrémité pendant le temps de non commande. Comme dans presque tous les moteurs électriques, la vitesse maximale est obtenue quand la f.c.é.m. atteint une amplitude équivalente à la tension d'alimentation, car alors le courant devient presque nul il s'agit donc de la vitesse à vide sans couple à vaincre. En pratique, il faut tenir compte du fait que cette f.c.é.m. a une forme à peu près sinusoidale , et que donc, on peut avoir encore du courant entrant donc du couple, alors que la valeur crête de cette f.c.é.m. est supérieure au sommet à la valeur de la tension d'alimentation. Dans le cas envisagé du moteur, cela donne, pour la vitesse maximale à vide, les ondes représentées sur la figure 4. L'arc 9 correspond à un dépassement, vers les valeurs inférieures, de la tension au point 0. Mais bien rares sont les applications où l'on a besoin de la vitesse maximale à vide. Bien au contraire, en général, le couple résistant a vaincre, augmente avec la vitesse et le moteur recherche le point d'équilibre entre le couple à vaincre en fonction de la vitesse de rotation, et son propre couple moteur. Cela donne la vitesse No correspondant au couple CO sur la figure 6, et pour que ce couple ait une valeur suffisante, il faut un certain courant, ce qui sous-entend que la f..é;m. à ce point de fonctionnement est nettement inférieure à la tension d'alimentation. Par ailleurs, les moyens interrupteurs T1...T4 ne sont pas soumis à de fortes tensions et peuvent donc être constitués par des semi-conducteurs basse tension (c'est-àdire pouvant accepter des tensions maximales de l'ordre de 50 volts) qui restent relativement bon marché, notamment dans le cas de transistors MOS. Ce ne serait pas le cas si, par suite de tensions induites élevées, et de surtensions de coupure non écrêtées par des diodes, il fallait utiliser des semi-conducteurs haute tension (capables de supporter des tensions de l'ordre de 300 à 600 volts). La forme et l'amplitude des tensions générées telles que représentées sur la figure 3,pour une utilisation normale supposant bien évidemment un certain couple résistant à vaincre, présentent un autre avantage très important. Si l'on veut faire varier la vitesse du moteur en modifiant le courant par la technique bien connue du découpage (ou hachage), il est tout à fait possible de le faire, par exemple par T2 et T4, en se rappelant qu'ils sont mis en position conducteur alternativement, la moitié du temps pour chacun pour assurer la rotation du moteur. Il suffira d'ajouter le découpage à relativement haute fréquence sur la commande proprement dite de rotation, et le courant sera défini en conséquence. Les surtensions inévitablement générées à chaque coupure seront écrêtées par les diodes de roue libre D4 pour T4 et D2 pour T2, qui joueront là leur rôle fondamental d'écoulement du courant vers la ligne d'alimentation en attendant la prochaine fermeture du transistor. L'onde de tension résultante est représentée sur la figure 5. Le découpage est obtenu sans composants supplémentaires. Le nombre de transistors, constituant les moyens interrupteurs, et le nombre de diodes, par enroulement du stator est réduit à l'unité. Bien entendu, la description faite ici s'applique à la base de fonctionnement électrique mais rien n'empêche de répéter n fois ce cycle électrique sur un tour mécanique. Chaque pas électrique de 90 devient alors 90/n degrés mécaniques. REVENDICATIONS 1. Moteur à courant continu, à commutation électronique, comportant un stator ayant plusieurs enroulements décalés angulairement, et des moyens de commutation électronique pour alimenter successivement les enroulements de manière à créer un champ tournant pour l'entralnement du rotor, caractérisé par le fait que le stator (S) comporte au m--ns quatre enroulements (E1,E2,E3,E4) branchés en étoile, et que les moyens de commutation électronique (1) comprennent un seul moyen interrupteur (T1, T2, T3, T4) associé à chaque enroulement et prévu entre l'extrémité de cet enroulement opposée au point central (O) de l'étoile, et une ligne d'alimentation du moteur, les deux enroulements (El, E3) de deux branches opposées de l'étoile étant reliés par les susdits moyens interrupteurs (T1, T3) à l'une (L1) des lignes d'alimentation du moiteur, tandis que les deux autres enroulements (E2, E4) des deux autres branches opposées de l'étoile sont reliés à l'autre ligne d'alimentation (12). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la disposition des enroulements (E1...E4) du stator et la commande des moyens interrupteurs (T1...T4) sont effectuées de manière telle que le champ magnétique progresse d'un pas de 90 à chaque commutation. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les moyens de commutation électronique (1) sont agencés pour réaliser la fermeture des interrupteurs (Ti. . .T4) suivant une séquence qui permet d'alimenter deux enroulements successifs et de progresser, à chaque pas, d'un enroulement suivant un sens de rotation prédéterminé. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens interrupteurs (TI...T4) sont constitués par des transistors MOS. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les enroulements du stator (E1...E4) ont le même nombre de spires. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte quatre diodes (D1...D4) de roue libre, une diode étant associée å chaque enroulement, les deux diodes de roue libre (D1,D3) associées aux deux enroulements (El, E3) dont les extrémités sont reliées, par les moyens interrupteurs (T1,T3) â la ligne d'alimentation + (l1) étant reliées, par leur cathode, auxdites extrémités des enroulements et, par leur anode, & la ligne d'alimentation - (ho), tandis que les deux autres diodes (D2, D4) sont reliées par leur anode à l'extrémité des enroulements (E2, E4) des deux autres branches opposées, ces diodes (D2, D4) étant reliées par leur cathode à la ligne d'alimentation + (Li). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que deux des moyens interrupteurs (par exemple T2 et T4, reliés à la ligne -) servent à effectuer un découpage pour limiter le courant, deux diodes (D2 et D4) associées à ces moyens interrupteurs tenant lieu alors de diodes de roue libre.