Brevet FR2605156A1 — publié le 19880415

MACHINE ELECTRIQUE, EN PARTICULIER MOTEUR, A COURANT CONTINU, A INVERSION DU SENS DE ROTATION, ENSEMBLE D'UNE TELLE MACHINE ET DE MOYENS DE COMMANDE A INTERRUPTEURS, ET SON APPLICATION A UN EMBRAYAGE PILOTE L'invention est relative b une machine électrique å courant continu, destinée 9 etre associée à des moyens de commande d'inversion du sens de rotation, de maniere å pouvoir fonctionner dans un sens ou dans l'autre, a partir d'une source de tension continue unique, machine du genre de celles qui comprennent un rotor muni d'un collecteur avec lequel coopèrent au moins deux balais montés dans un stator. L'invention concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'interEt, mais non exclusivement, un moteur à courant continu. On sait que, d'une manière classique, pour pouvoir faire tourner un moteur à courant continu dans les deux sens de rotation à partir d'une source de tension unique, on passe par un pont de commande dit "pont en H" qui comporte quatre interrupteurs, formés par exemple par des éléments semi-conducteurs, qui doivent entre performants et qui sont donc coûteux. Pour chaque sens de rotation, deux interrupteurs se trouvent montés en série et il en résulte, dans le cas où les interrupteurs sont constitués par des semiconducteurs, une perte de tension de l'ordre de i ou 2 Volts par interrupteur. En outre, le nombre relativement éleve d'interrupteurs, en particulier de semi-conducteurs, contribue a diminuer la fiabilité de la machine, et å augmenter les pertes et l'échauffement. L'invention a pour but, surtout, de fournir une machine électrique a courant continu, en particulier un moteur, du genre défini précédemment, qui réponde mieux que jusqu'a présent aux diverses exigences de la pratique et qui, notamment, n'exige qu'un nombre réduit de moyens interrupteurs, au niveau des moyens de commande d'inversion du sens de rotation. Selon l'invention, une machine électrique à courant continu, destinée à être associée à des moyens de commande d'inversion du sens de rotation, de maniere à pouvoir fonctionner dans un sens ou dans l'autre, du genre en question, est caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un balai supplémentaire propre à coopérer avec le collecteur, ce balai étant destiné à etre relié å l'un des pâles d'une source d'alimentation électrique continue, tandis que l'un au moins des premiers balais est destiné a être relié à l'autre pôle decca source, selon le sens de rotation souhaité, un autre au moins des deux premiers balais restant isole de cet autre pâle, de telle sorte qu'un seul moyen interrupteur est associé à chacun des deux premiers balais. Généralement, les premiers balais sont au nombre de deux et diamétralement opposes. Avantageusement deux balais supplémentaires sont prévus et reliés électriquement entre eux par un conducteur. La machine de l'invention peut fonctionner avec un seul balai supplémentaire, mais son rendement devient alors médiocre ; dans ce qui suit on considérera essentiellement le cas GÙ deux balais supplémentaires sont prévus. Les balais supplémentaires ou seconds balais, sont de préférence situes sur une ligne isopotentielle. Avantageusement, les seconds balais sont diamétralement opposés. Les deux balais supplémentaires, reliés l'un a l'autre, peuvent etre branchés sur la borne positive de la source d'alimentation alors que les moyens interrupteurs pour la commande du sens de rotation sont prévus entre les deux premiers balais et la borne négative, ou la masse, de la source d'alimentation. Selon une autre possibilité, les deux balais supplémentaires reliés l'un à l'autre sont branches a la masse alors que les moyens interrupteurs pour la commande du sens de rotation sont prévus entre la borne positive de la source d'alimentation et les deux premiers balais. La ligne des balais supplémentaires peut être décalée par rapport à un diamètre du moteur de maniere à rendre dissymétriques le couple et les vitesses de rotation fournis par le moteur suivant son sens de commande. Un moteur à courant continu, conforme à l'invention, est particulièrement approprie pour la commande d'un embrayage pilote de véhicule automobile. Avantageusement, les balais supplémentaires ont une dimension tangentielle, appelée ci-après largeur, suffisamment faible pour éviter un court-circuit prolongé entre deux lames de collecteur, les balais ayant une dimension axiale, appelée ci-apres hauteur, suffisante pour que la surface de contact avec le collecteur soit satisfaisante. Dans le cas où les balais supplémentaires reliés l'un à l'autre sont branchés à la masse, alors que les deux premiers balais sont reliés à la borne positive par les moyens interrupteurs, chaque moyen interrupteur est avantageusement constitué par la combinaison d'un transistor PNP suivi d'un transistor NPN branchés de manière à réduire les pertes en tension. Dans le cas ou les balais supplémentaires reliés l'un å l'autre sont branchés à la borne positive, alors que les deux premiers balais sont reliés à la borne négative, ou à la masse, par les moyens interrupteurs, ces derniers sont avantageusement constitués par la combinaison d'un transistor NPN suivi d'un transistor PNP branches de maniere å réduire les pertes en tension. L'invention concerne également l'ensemble d'une tel le machine électrique à courant continu, en particulier d'un moteur, avec les moyens interrupteurs de commande pour l'inversion du sens de rotation de cette machine, notamment du moteur. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ciaprès a propos de modes de réalisation particuliers décrits avec référence aux dessins ci-annexés, et qui ne sont nul le ment limitatifs. La figure 1, de ces dessins, est un schéma d'un pont de commande classique de l'art antérieur, dit "pont en H", pour pouvoir faire tourner un moteur à courant continu dans les deux sens de rotation à partir d'une source de tension unique. La figure 2 est une représentation schématique d'un moteur électrique à courant continu, conforme à l'invention, et de moyens de commande à interrupteurs pour l'inversion du sens de rotation de ce moteur. La figure 3 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du moteur de la figure 2, la ligne des balais supplémentaires étant décalée par rapport à un diamètre du moteur. La figure 4 est un schéma d'une variante de branchement du moteur. La figure 5, est un schéma de moyens interrupteurs de commande pouvant servir dans le montage de la figure 4. La figure 6, enfin, est une variante du schéma de la figure 5. En se reportant à la figure 1 des dessins, on peut voir une machine électrique à courant continu constituée par un moteur m associé à des moyens classiques c de commande d'inversion du sens de rotation de ce moteur m alimenté à partir d'une source de tension continue unique (non représentée), par des lignes d'alimentation Il, 12, relises respectivement à la borne positive, représentée par le Signe +, et à la borne négative, représentée par le signe -, sur la figure 1, de cette source de tension. Le moteur m comporte deux balais 1, généralement diamétralement opposés. Les moyens de commance d'inversion c comprennent un pont de commande dit pont en H comportant quatre interrupteurs dl, d3, et d2, d4 associés respectivement deux par deux aux balais 1 et 2, selon le branchement représenté sur cette figure 1. Pour faire tourner le moteur m dans un premier sens de rotation, on ferme les interrupteurs dl et d4 de telle sorte que le balai 2 est relié à la borne + tandis que le balai 1 est relie à la borne - ; les interrupteurs d2 et d3 sont alors ouverts. Le courant circule dans le moteur, suivant le sens des flèches en traits pleins sur la figure 1. Pour faire tourner le moteur m dans le sens contraire, on ferme les interrupteurs d3 et d2, tandis que les interrupteurs dl et d4 sont ouverts. Le courant circule alors de la borne + vers le balai 1 et du balai 2 vers la borne - comme représenté par les flèches en tirets sur la figure 1. Il apparaît ainsi que selon la technique antérieure, la commande d'inversion du sens de rotation du moteur m. a partir d'une source de tension unique, nécessite quatre interrupteurs qui doivent etre suffisammant performants et qui sont donc coûteux. Pour chaque sens de rotation. deux interrupteurs sont branchés en série ; de tels interrupteurs sont généralement constitués par des semiconducteurs qui introduisent une chute de tension, et un échauffement lesquels se trouvent accrus du fait du montage en série. Un moteur électrique à courant continu M. conforme b l'invention, et schématiquement représente sur la figure 2, permet de remédier à ces inconvenients. Le moteur M de la figure 2 comporte un rotor 3 muni d'un collecteur 4 avec lequel coopèrent deux balais 1, 2 semblables à ceux de la figure 1. Le stator comporte deux aimants permanents 5, 6 géneralement constitués par des ferrites, s'étendant sensiblement suivant une demicirconférence, Fropres à créer un champ magnétique dont l'orientation moyenne, entre les aimants 5 et 6, est représentée par la flèche H. L'orientation de cette flèche dépend des polarités respectives des aimants 5 et 6. Aux deux poules du stator correspondent les deux balaie 1 et 2. diamétralement opposés et placés sur une ligne orthogonale ou sensiblement orthogonale à la fleche H. Le moteur M comporte deux balais supplémentaires 7, 8 propres à cooperer avec le collecteur 4, ces deux balais supplémetaires 7, 8 étant reliés électriquement entre eux par un conducteur 9. Les deux balais supplémentaires 7, 8 sont destinés a être relies à l'un des piles de la source d'alimentation électrique continue unique. Dans le cas de la figure 2, les balais 7 et 8 sont reliés électriquement à la borne + de la source, par la ligne 11. Un seulement des deux premiers balais 1, 2 est à relier à l'autre pole de la source de tension continue ; le choix du premier balai 1, 2 relié à cet autre p81e dépend du choix du sens de rotation du moteur M : L'autre premier balai 2, 1 reste isolé de l'autre pôle de la source. En conséquence, un seul moyen interrupteur dl respectivement d2, est associé 9 chacun des deux premiers balais 1, 2. Le moyen interrupteur dl est branché entre le balai 1 et l'autre poule de la source d'alimentation, à savoir le pOle dans le cas de la figure 2. De mamie, I'interrupteur d2 est branche entre le balai 2 et cette meme borne -. La ligne G des deux premiers balais 1, 2 est généralement constituée par un diamètre. Les seconds balais 7, 8 sont situés sur une ligne Q correspondant, pour un moteur classique, à une ligne equipotentiel le, cette ligne Q étant orthogonale a la ligne G des premiers balais. Dans le cas du montage de la figure 2, les seconds balais 7, 8 sont diamétralement opposés et décalés de 90' par rapport aux premiers balais 1, 2. D'une manière générale, on peut dire que les balais supplémentaires 7, 8 sont disposés suivant une ligne equipotentielle d'un moteur classique. On comprend ainsi que les deux balais supplémentaires 7, 8 peuvent être mis en court circuit car iso-potentiels.Ces deux balais 7, 8 déterminent en quelque sorte un "point milieu" sur le moteur M et permettent de réduire à deux le nombre d'interrupteurs necessaires pour la commande d'inversion du sens de rota t ion. En quelque sorte, le moteur classique représenté sur la figure 1 a ete modifié selon l'invention en deux demi-moteurs ; l'un de ces demi-moteurs est mis en fonctionnement lorsque le moyen interrupteur dl est fermé alors que le moyen interrupteur d2 est ouvert, le moteur tournant alors dans un sens. L'autre "demi-moteur" est mis en fonc tionneinent lorsque le moyen interrupteur d2 est fermé alors que l'interrupteur dl est ouvert ; le moteur tourne alors dans l'autre sens. Si l'on compare le moteur M de l'invention å un moteur m classique dont les dimensions et les enroulements seraient semblables, le moteur classique étant toutefois dépourvu des balais 7 et 8 et étant branché comme représenté sur la figure 1, on peut faire les remarques suivantes confirmées par des essais. Dans le cas du fonctionnement du moteur å vide, å tension égale d'alimentation, le moteur M aura une vitesse sensiblement double de celle du moteur m. Dans le cas de fonctionnement sous couple, le moteur M necessite un courant dont l'intensité est deux fois plus élevée que celle nécessitée par le moteur m pour conserver un meme couple. Le rendement global du moteur M est inférieur à celui du moteur classique m dont les dimensions et les enroulements sont semblables, du fait d'une moins bonne utilisation du cuivre et du fer. Toutefois, lorsque le moteur M est combiné avec les moyens de commande d'inversion du sens de rotation, à partir d'une mEme source de tension, les pertes dans les moyens de commande dl, d2 (interrupteurs) sont réduites de moitié par rapport à celles de la commande classique de la figure 1. On économise, comme déjà indiqué, deux moyens interrupteurs généralement constitués par des transistors de puissance relativement motteux. Cette economie s'accompagne d'une augmentation de fiabilite par suite de la diminution du nombre de composants et d'une réduction des pertes thermiques et échauffements.On reduit en outre la chute de tension, du fait qu'un seul interrupteur (transistor de puissance) est nécessaire pour chaque sens de rotation. Les gains apportés par la solution de l'invention, correspondant au moteur M sont donc appréciables au niveau du coût et de la fiabilité. Les pertes par echauffement et chutes de tension dans les organes de commande sont réduites et, dans le cas d'une solution optimale, compensent la baisse de rendement provoquée par la modification du moteur en deux demi-moteurs. Les balais supplémentaires 7 et 8 ont une largeur e suivant le sens de la circonférence du collecteur 4 de préférence suffisamment faible pour réduire les temps de court-circuit entre deux lames 111, conductrices de l'électricité, du collecteur 4, ces lames 1 etant séparées par des interlames il réalisées en une matière isolante.En effet en raison de la position angulaire des balais 7 et 8, la différence de potentiel entre deux lames successives du collecteur, au niveau de ces balais 7 et 8, est plus élevée qu'au niveau des balais 1 et 2. ll est donc souhaitable que la largeur e des balais 7 et 8 soit aussi réduite que possible, cette diminution de largeur pouvant etre compensé, au niveau de la surface de contact entre les balais 7 et 8 et le collecteur, par une augmentation de la hauteur de ces balais 7 et 8 suivant une direction parallèle à l'axe A. En se reportant à la figure 3 on peut voir une variante de réalisation d'un moteur M conforme à l'invention, selon laquelle la ligne Q des balais supplémentaires 7 et 8 est décalée d'une distance x par rapport à un diamètre du moteur, cette ligne Q restant orthogonale à la ligne G des balais 1 et 2 de manière a toujours correspondre à une ligne équipotentielle. Ce décalage de la ligne Q entraîne une dissymétrie du couple fourni par le moteur M suivant son sens de rotation, ce couple etant plus élevé pour un sens de rotation que pour l'autre. Une telle dissymétrie peut présenter de l'intérêt dans le cas de l'application du moteur M à la commande d'un embrayage piloté de véhicule automobile où il peut être souhaitable de disposer d'efforts plus importants dans un sens de déplacement que dans l'autre, ou de favoriser la vitesse de réaction de la commande dans le sens du débrayage par exemple. Il est à noter qu'un moteur M conforme à l'invention, dans lequel la ligne des balais supplémentaires 7 et 8 correspond à un diamètre comme dans le cas de la figure 2, conserve tout son intérêt pour une telle commande d'un embrayage de vehicule automobile. Les divers éléments de la figure 3 identiques ou semblables à des éléments déjà décrits à propos de la figure 2 sont désignes par les mêmes références. sans que leur description soit reprise. La figure 4 des dessins montre une variante de réalisation dans laquelle les balais supplémentaires 7. 8 sont reliés non pas à la borne + de la source de tension, mais a la masse, par exemple la masse d'un véhicule automobile, à laquelle est reliée la borne - de la source de tension. Les interrupteurs dl, d2 sont prévus, respectivement. entre les balais 1 et 2 et une ligne reliee à la borne + de la source de tension unique B représentée sur la figure 4. Un interrupteur principal de commande 12 est prévu sur la ligne de liaison à la borne +, cet interrupteur 12 étant fermé de manière classique lorsque le conducteur actionne la cle de contact et eventuellement dans d'autres situations. Un montage conforme à celui de la figure 4 est plus simple au point de vue connexion puisqu'il permet, pratiquement, d'économiser une ligne électrique. Alors que sur la figure 2 et 3 il faut prévoir trois lignes électriques pour relier respectivement le balai 7 à la borne + et les balais 1 et 2 aux interrupteurs dl et d2, dans le cas de la figure 4 il suffit de deux lignes pour relier les balais 1 et 2 aux interrupteurs di et d2, alors que les balais 7 et 8 sont mis à la masse sans nécessiter une véritable ligne électrique de liaison. De préférence, chaque moyen interrupteur de commande di, d2, dispose sur la ligne positive de commande du moteur selon le montage de la figure 4, est constitué, comme représenté sur la figure 5, par la combinaison d'un transistor PNP 13 suivi d'un transistor NPN 14 branché de manière à réduire les pertes en tension. Le transistor PNP 13 assure la commande du transistor de puissance 14. L'émetteur du transistor 13 est relié à la ligne + de la batterie. La base de ce transistor est reliée à un point intermédiaire 15 situé entre deux résistances 16, 17 branchées en série entre la ligne + de la batterie et une commande 18 qui permet de rendre conducteurs le transistor 13 et le transistor 14 par mise du point 19 a un potentiel relativement bas. Le collecteur du transistor 13 est relié à la base du transistor 14, cette base étant elle-même reliée par une résistance 2 à l'émetteur. Le collecteur du transistor 14 est relié à la ligne + de la batterie. Une diode 21 est branchée entre l'émetteur et le collecteur du transistor 14, l'anode de cette diode étant reliée à l'émetteur et la cathode au collecteur. Une ligne électrique 22 relie, enfin, l'émetteur du transistor de puissance 14 au balai correspondant 1 ou 2. Ainsi, avec le montage de la figue 5, la chute de tension dans le circuit de puissance est réduite puisqu'elle n'est due qu'à l'espace col lecteur-émetteur du transistor 14. Pour obtenir la fermeture de dl ou d2, selon le sens de rotation souhaité, l'utilisateur agit sur la commande 18 correspondante permettant de relier le point 19 à un potentiel bas, par exemple à la masse. Le transistor 13 devient alors conducteur ainsi que le transistor 14. La figure 6 est un schéma fllustrant une variante du montage de la figure 5 destinée à constituer chaque moyen interrupteur de commande dl, d2 lorsqu'il est disposé sur la ligne négative de commande du moteur selon le branchement des figures 2 et 3. Les éléments de la figure 6 jouant des roules analogues à des élements déjà décrits à propos de la figure 5, sont désignés par les mêmes références, éventuellement suivies de la lettre a. On retrouve la combinaison de deux transistors. à savoir un transistor de commande NPN, 13a suivi d'un transistor de puissance PNP, 14a. L'emetteur du transistor 13a est relie à la ligne - de la batterie. La base de ce transistor est reliée à un point intermédiaire 15a situé entre deux résistances 16a, 17a branchées en série entre la ligne - de la batterie et une commande 18a qui permet de rendre conducteurs le transistor 13a et le transistor 14a par mise du point 19a à un potentiel relativement haut. Le collecteur du transistor 13a est relie à la base du transistor 14a, cette base étant elle-méme reliée par une résistance 2a à l'émetteur. Le collecteur du transistor 14a est relié a la ligne - de la batterie. Une diode 21a est branchée entre l'émetteur et le collecteur du transistor 14a, l'anode de cette diode etant reliée à l'émetteur et la cathode au collecteur. Une ligne électrique 22a relie, enfin, l'émetteur du transistor de puissance 14a au balai correspondant 1 ou 2. Comme pour le montage de la figure 5, dans le cas de la figure 6 la chute de tension dans le circuit de puissance est réduite puisqu'elle n'est due qu'à l'espace collecteur-émetteur du transistor 14a. Quel que soit le mode de réalisation adopté, une machine électrique à courant continu, en particulier un moteur électrique, à deux sens de rotation conforme à l'invention permet d'obtenir un gain appréciable au niveau du court et de la fiabilité. REVENDICATIONS 1. Machine électrique a courant continu, destinée å être associée à des moyens de commande d'inversion du sens de rotation, de manière à pouvoir fonctionner dans un sens ou dans l'autre à partir d'une source de tension continue unique, comprenant un rotor muni d'un collecteur avec lequel coopèrent au moins deux balais montés dans un stator, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un balai supplémentaire (7, 8) propre à coopérer avec le collecteur (4), destiné à être relié à l'un des pâles d'une source d'alimentation électrique continue, tandis que l'un au moins des premiers balais (l, 2) est destine à être relié a l'autre pèle de la source, selon le sens de rotation souhaité, un autre au moins des premiers balais (2, 1) restant isolé de cet autre pèle, de telle sorte qu'un seul moyen interrupteur (dl, d2) est associé à chacun des deux premiers balais (1, 2). 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux balais supplé-mentaires (7,8) reliés électriquement entre eux par un conducteur (9). 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les seconds balais (7, 8) sont situés sur une ligne (Q) isopotentielle 4. Machine électrique selon la revendication 2 ou 3, caractérisée par le fait que les deux premiers balais (1, 2) sont diamétralement opposes. 5. Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les seconds balais (7, 8) sont diamétraleirent opposés. 6. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les deux balais supplémentaires (7, 8) sont branchés sur la borne positive de la source d'alimentation alors que les moyens interrupteurs (dl, d2) pour la commande du sens de rotation sont prévus entre les deux premiers balais (1, 2) et la borne négative, ou la masse, de la source d'alimentation. 7. Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée par le fait que chaque moyen interrupteur est constitué par la combinaison d'un transistor NPN (13a) suivi d'un transistor PNP (14a) branchés de manière à réduire les pertes en tension. 8. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que les deux balais supplémentaires (7, 8) sont branches à la masse, alors que les moyens interrupteurs ( dl, d2) pour la commande du sens de rotation sont prévus entre la borne positive de la source d'alimentation et les deux premiers balais (1, 2). 9. Machine électrique selon la revendication 8 caractérisée par le fait que les moyens interrupteurs sont constitués par la combinaison d'un transistor PNP (13) suivi d'un transistor NPN (14), branches de maniere à réduire les pertes en tension. iB. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les balais supplémentaires (7, 8) ont une largeur (e), suivant le sens de la circonférence du collecteur, faible pour réduire les courts-circuits entre deux lames (1) de collecteur, les balais (7, 8) étant suffisamment hauts pour que la surface de contact avec le collecteur soit satisfaisante. 11. Moteur électrique à courant continu selon l'une quelconque des revendications 1 a 111, caractérisé par le fait que la ligne (Q) des balais supplémentaires (7. 8) est décalée par rapport à un diamètre du moteur de manière à rend-e dissymetrique le couple fourni par le moteur suivant son Cens de rotation. 12. Application d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes à la commande d'un embrayage piloté. 13. Ensemble d'une machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes et de deux moyens interrupteurs (dl, d2) associés respectivement à deux premiers balais (1, 2).