Brevet FR2614480A1 — publié le 19881028

MOTEUR COURANT CONTINU BIPOLAIRE MULTIPHASE SANS BALAIS La présente invention se rapporte à un moteur courant continu bipolaire multiphasé sans balais dans lequel le stator est constitué par un induit et le rotor est constitué par des aimants permanents. Si, dans ce moteur, le bobinage du stator est disposé sous forme de bobinage en solénoïde, le moteur produit des ondulations sinusoïdales du couple, de sorte qu'il est adapté comme micro-moteur, et, à la place, si le bobinage du stator est disposé sous forme de bobinage en chaire, le moteur produit des ondulations trapézoïdales d. couple, de sorte qu'il est adapté comme moteur de pr.ssance. Cette invention envisage d'adopter le système bipolaire de façon à réduire au minimum les pertes dans le cuivre de la bobine excitatrice, augmentant ainsi le rendement, et de fonctionner en courant polyphasé de façon à augmenter le taux d'utilisation de la bobine, rendant ainsi possible une conception compacte du moteur et améliorant les ondulations du couple. En outre, dans ce moteur, l'ensemble formant encodeur de commutation et détecteur, auquel on se réfère ci-dessous comme à l'encodeur de commu- tation et aux phototransistors, est de structure simple et sûre, ce qui améliore les caractéristiques de démarrage et de rotation du moteur tout en donnant un moteur de fabrication simple, réduisant ainsi le coût de fabrication. Dans un moteur shunt conventionnel, du fait que les bobines de champ (bobines d'excitation) sont bobinées sur le rotor pour donner le nombre correct de pôles et que les bobines auxquelles sont reliés les balais sont bobinées sur le rotor pour entrainer le rotor en rotation, il se présente des inconvénients en ce sens que, au cours de son utilisation, les corps étrangers comme les poussières se coincent entre les segments du commutateur ou que les balais doivent être remplacés par des neufs par suite de faux contacts entre eux du fait de rupture de l'isolant ou de son usure. Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, un but de la présente invention est de proposerun moteur courant continu bipolaire multiphasé sans balais dans lequel, au lieu des bobines de champ, on utilise pour le rotor des aimants permanents, dans lequel le bobinage est bobiné sur le stator sous forme de bobinage indépendant, dans lequel l'encodeur de commutation est monté fixe sur l'arbre du rotor à entrainer en rotation, et dans lequel le détecteur est monté sur l'arbre du rotor pour être relié avec le circuit pilote, ce par quoi le moteur démarre et tourne sans à-coups, tout en ayant une construction simple et un faible coût de fabri- cation. On comprendra mieux l'invention et ses avantages et son emploi apparaitront plus facilement au vu de la description détaillée qui suit d'une réalisation donnée à titre d'exemple et prise avec les dessins joints sur lesquels: la figure 1 est un schéma représentant, partiellement sous forme de blocs, le système d'un moteur courant continu bipolaire multiphasé sans balais, conforme à l'invention; - la figure 2A est une vue en perspective éclatée montrant l'ensemble formant encodeur de commande de vitesse et détecteur (encodeur de commutation et phototransistors) conformément à l'invention; - la figure 2B est une vue partiellement en coupe montrant l'état dans lequel les composants de la figure 2A sont combinés ensemble; - la figure 3A est un schéma circulaire de connexion indépendante du bobinage du moteur triphasé à quatre pôles; - la figure 3B est un schéma de la disposition du rotor à quatre pôles; - la figure 3C est un schéma développé en ligne de connexion indépendante du moteur triphasé à quatre pôles; - la figure 4A représente schématiquement le circuit pilote du moteur triphasé; - la figure 4B représente les constructions du rotor et de l'encodeur de commutation et des photo- transistors; - la figure 5A représente une construction schématique du moteur triphasé à quatre pôles; - la figure 5B représente une construction schématique du moteur tétraphasé à quatre pôles; - la figure 6 représente la forme d'onde des ondulations du couple de sortie des moteurs corres- pondants aux figures 3A, 3B, et 3C; - la figure 7A représente la position du détec- teur de position et la forme d'onde des ondulations corresondantes du couple; - la figure 7B représente la position corrigée du détecteur de position et la forme d'onde des ondu- lations correspondantes du couple; - la figure 8A représente le détecteur de position placé à un angle corrigé par rapport à l'encodeur de commutation et la forme d'onde des ondulations correspondantes du couple; - la figure 8B représente l'état dans lequel le détecteur de position est placé à la position corrigée de façon optimale sur l'encodeur de commu- tation et la forme d'onde des ondulations correspon- dantes du couple; et - la figure 9 représente la disposition du détecteur de marche avant et de marche arrière dans le moteur triphasé à 4 pôles conforme à l'invention. On va maintenant expliquer ci-dessous, en se référant aux dessins joints, un moteur courant continu multiphasé sans balais conforme à l'invention. La qualité du moteur courant continu sans balais dépend de la façon dont sont construits la machine rotative, l'encodeur de commutation et les phototran- sistors et le circuit pilote. Par conséquent, le moteur courant continu sans balais conforme à l'invention est constitué, comme représenté sur le schéma du système de la figure 1, de façon que, lorsque le système de commutation détecte la position du rotor à partir de l'encodeur de commutation et des phototransistors, donnant alors une impulsion, le commutateur électronique rend conducteur le tran- sistor de puissance relié aux bornes de la bobine et que, par conséquent, le courant alternatif passe dans la machine rotative, entrainant ainsi le moteur. Comme représenté sur les figures 2A et 2B, l'encodeur de commutation et les phototransistors sont entrainés en rotation du fait que l'encodeur de commutation 2 est fixé à l'arbre 11 de la machine rotative 1, l'encodeur de commutation 2 présentant une portion 21 qui forme écran à la lumière et une portion 22 de détection de la lumière. Ce système de commutation se caractérise en ce qu'il est disposé indépendamment pour chaque phase et en ce que le système de commutation de chaque phase est relié en parallèle à l'unique contrôleur de tension; par conséquent, le courant alternatif à onde rectangulaire passe dans la bobine de chaque phase, de sorte que le moteur est entraîné sans à-coups. On va donner une explication détaillée concernant le moteur courant continu bipolaire multiphasé sans balais piloté par le principe de cette invention en le divisant en les éléments de base du moteur courant continu sans balais, tels que la machine rotative, le générateur de tension, etc. MACHINE ROTATIVE Elle comporte le stator 4 constitué de l'induit et le rotor 7 constitué des aimants permanents, ledit rotor de la machine rotative 1 peut être conçu à deux, quatre, six, huit, etc. ou 2n p6les et ledit stator peut être conçu à 2,3,4,5,6,....ou n phases. Par conséquent, on peut facilement augmenter ou diminuer le nombre de pôles ou de phases à la demande et on peut facilement modifier, à la demande, la longueur, l'épaisseur ou la forme de la machine rota- tive 1. Comme représenté sur les figures 3A et 3B, le bobinage du moteur est un bobinage indépendant connecté différemment des bobinages connectés en triangle ou en étoile et, bien que la bobine de chaque phase du moteur corresponde à un moteur polyphasé, elle est réalisée de façon que la condition d'exci- tation de chaque bobine soit toujours constante. COMMUTATEUR ELECTRONIQUE Il est constitué de manière telle que, comme représenté sur les figures 4A et 4B, l'un de ses groupes comporte 4 transistors de puissance Q1-Q4 connectés aux bornes de la bobine de chaque phase et que deux desdits transistors connectés aux bornes de la bobine de chaque phase sont connectés à un phototransistor de sorte que chaque phase comporte deux phototransistors, ce qui détermine le sens de passage du courant en fonction de la façon dont opère le phototransistor. Expliquons le cas du moteur tri- phasé dont 2 phases excitatrices sur les figures 4A et 4B comme exemple. Lorsque le phototransistor PA1 se trouve dans la zone détectrice de l'encodeur de commutation 2, il donne une impulsion positive. Par conséquent, les transistors Q1 et Q4 sont rendus conducteurs de sorte que le courant passe dutransistor Q1 au transistor Q4. Dans ce cas le phototransistor PA2 se trouve en une position o il ne peut pas être rendu conducteur. Lorsque la position des photo- transistors a été décalée et que c'est alors le photo- transistor PA2 qui se trouve dans la zone de détection de l'encodeur de commutation 2, ce sont les transistors Q2 et Q3 qui sont rendus conducteurs, de sorte que le sens du passage du courant est inversé et que le courant passe maintenant du transistor Q2 au tran- sistor Q3. Dans ce cas également, le phototransistor PA1 se trouve à une position o il ne peut pas être rendu conducteur. Par conséquent, du fait que deux phototransistors sont prévus pour chaque phase de façon telle que seule l'impulsion positive puisse être utilisée, on peut supprimer le dispositif de division d'impul- sions et, du fait également que chaque phototransistor d'une phase est constitué de façon à ne pas être rendu conducteur pendant que le rotor tourne de l'angle, mesuré sur l'arbre, de (2rX ici 30 le nombre de p8les du rotor x le nombre de phases)' ici 30 degrés alternativement, on peut également supprimer l'interverrouillage qui évite le trouble inductif. Par conséquent, puisque l'on supprime le circuit logique compliqué, on peut construire un commutateur électro- nique sûr et simple. ENCODEUR DE COMMUTATION ET PHOTOTRANSISTORS Comme représenté sur la figure 1 et sur les figures 4A et 4B, il est constitué de l'encodeur de commutation 2 monté sur l'une des portions d'extré- mité de l'arbre du moteur et de deux phototransistors correspondants à une phase et il est du type externe. Expliquons le cas du moteur type triphasé à quatre pôles comme exemple, comme suit: Le moteur type triphasé à 4 pôles tel que repré- senté sur la figure 5, est constitué de manière que l'encodeur de commutation 2 présente 2 (le nombre de pôles du rotor /2) zones de détection et que la largeur de là zone de détection corresponde à un angle, mesuré sur l'arbre, le 2( le nombre de phases - 1, 60 le nombre de p8les du rotor le nombre de phases) degrés. En outre, chaque phototransistor PA1, PB1, PC1, PA2, PB2 et PC2 dans les phases A, B et C est disposé, à son tour, un par un, à des intervalles angulaires, mesurés sur l'arbre, de f 27r ici 3 (le nombre de p8les du rotor x le nombre de phases) ici 30 degrés, respectivement. Par conséquent, l'intervalle entre les phototransistors PA1 et PA2 de la phase A correspond à l'angle, mesuré sur l'arbre, de (2rr ci9 (le nombre de pôles du rotor) ici 90 degrés, et de plus les cas des phases B et C sont les mêmes que celui de la phase A. On va maintenant expliquer le principe de fonctionnement de l'encodeur de commutation et des phototransistors par le fonctionnement de la phase A. Le phototransistor PA1 produit l'impul- sion positive à transmettre au circuit pilote pendant un intervalle angulaire, mesuré sur l'arbre, de 60 et, pendant l'intervalle angulaire, mesuré sur l'arbre, de 30 , le phototransistor PA n'est pas rendu conducteur. De même, le phototran- sistor PA2 est rendu conducteur pendant un inter- valle angulaire, mesuré sur l'arbre, de 60 . Par conséquent, lorsque le phototransitor PA1 est rendu conducteur, le phototransistor PA2 n'est pas rendu conducteur et, lorsque le phototransistor PA2 est rendu conducteur, le phototransistor PA1 n'est pas rendu conducteur. L'intervalle angulaire pendant lequel ni l'un ni l'autre des phototransistors PA et PA2 ne sont rendus conducteurs est un angle, mesuré sur l'arbre, de 30 . L'encodeur de commutation et les phototransistors réalisés de cette façon peuvent donner un moteur à 2 phases dont 1 excitatrice, à 3 phases dont 2 excitatrices, à 4 phases dont 3 excitatrices, à 5 phases dont 4 excitatrices, à 6 phases dont 5 excitatrices,..., de sorte que l'on peut construire un moteur à n phases dont (n-l) excitatrices, ce qui permet de produire un moteur courant continu bipolaire multiphasé sans balais. AVANCE DE COMMUTATION DU PHOTOTRANSISTOR Comme représenté sur les figures 7A et 7B, lorsque la lumière tombe sur le phototransistor se trouvant à sa position théorique par rapport à la zone de détection de l'encodeur de commutation 2, au cours du pilotage du moteur, le phototransistor produit une impulsion qui rend conducteur le transistor, de sorte que le courant passe dans la bobine dans un sens donné. La production de l'impulsion s'arrête au moment o le phototransistor sort de la zone de détection de l'encodeur de commutation 2: le tran- sistor est alors rendu non conducteur et le courant ne passe plus dans la bobine. Mais, dans ces conditions, l'instant de début et de fin de passage du courant d'excitation de la bobine sera retardé de " " degrés par rapport à l'instant de début et de fin de l'impulsion produite par le phototransistor par suite du temps de retard et du temps de charge du transistor et du fait de la caractéristique du courant d'excitation de la bobine. De plus, le fait d'éliminer la portion présentant un couple de faible valeur en avançant la commutation du phototransistor en déplaçant ce phototransistor en sens inverse du sens de rotation du rotor permet d'améliorer le rendement et donc de réduire les pertes dans le cuivre. On préfère donc déca r le phototransistor pour avoir une avance de commuta:ion de "9" comme meilleure position de pilotage du moteur. Il est possible de décaler le phototransistor du fait que l'ensemble détecteur est du type externe. MODULATION DE LA DUREE DU COURANT D'EXCITATION Comme représenté sur les figures 8A et 8B, on peut moduler la durée du courant d'excitation en ajustant la distance entre le phototransistor et l'encodeur de commutation 2. La durée de l'excitation ne coincide pas avec la durée de l'impulsion produite par le phototransistor. Il est visible que la durée du courant d'exci- tation de la bobine est naturellement supérieure à la durée de l'impulsion produite par le phototran- sistor du fait des caractéristiques du temps de charge et de décharge du transistor et du fait des carac- téristiques du courant d'excitation de la bobine. Par conséquent, comme représenté sur les figures 8A et 8B, le fait de produire le courant d'excitation dans la zone de faible couple augmente les pertes dans le cuivre de la bobine, ce qui se traduit par une production de chaleur dans le moteur et diminue le rendement. Pour éliminer ces inconvénients décrits précédemment, l'encodeur de commutation de l'invention permet d'obtenir le rendement maximal du moteur en ajustant la durée de l'impulsion du courant d'exci- tation de façon à produire une chaleur minimale. - Pour le réglage de distance entre le photo- transistor et l'encodeur de commutation 2, on préfère se régler sur la meilleure position des ondulations du couple et sur la position du moteur donnant le meilleur rendement après réglage, du fait que l'en- semble détecteur est du type externe. ROTATION EN MARCHE AVANT ET EN MARCHE ARRIERE Comme représenté sur la figure 9, l'ensemble détecteur permet d'entraîner le moteur en rotation en marche avant ou en marche arrière s'il existe un jeu de phototransistors (indice prime) utilisés en rotation en marche arrière, placé dans la posi- tion symétrique, et séparément, du jeu de photo- transistors placés pour la rotation en marche avant. Selon le choix du jeu de phototransistors cor- respondant à la rotation en marche avant ou en marche arrière par une manoeuvre électromagnétique sans contact, on peut faire tourner le moteur en marche avant ou en marche arrière. GENERATEUR DE TENSION Le système de commutation est connecté en paral- lèle comme sur la figure 1, directement dans le cas du courant continu ou à courant redressé dans le cas du courant alternatif, de sorte que le moteur est réalisé de façon efficace. On commande la vitesse du moteur en ajustant la tension du générateur de ten- s ion. Les effets de l'invention décrite ci-dessus, en particulier sur la forme d'un moteur de puissance, sont les suivants: 1 61 Une paire de phototransistors par phase sont disposés dans l'encodeur de commutation 2 de façon à éliminer le dispositif de division d'impulsion et l'interverrouillage évitant le trouble inductif, de sorte que le circuit devient sûr et simple. En obtenant facilement que le moteur soit multi- phasé et multipolarisé, on améliore remarquablement les ondulations du couple et on réduit au minimum les pertes dans le cuivre en éliminant les portions présentant un faible couple, de sorte que la chaleur produite par le moteur est réduite au minimum tout en améliorant le rendement On peut appliquer l'intensité maximale à la bobine indépendante pour chaque phase. Le multiphasage améliore le rendement de la bobine (par exemple, 2 phases dont 1 excitatrice, 3 phases dont 2 excita- trices, 4 phases dont 3 excitatrices, 5 phases dont 4 excitatrices, 6 phases dont 5 excitatrices,...) de façon à réaliser un dessin compact. L'amélioration du rendement du moteur et des ondulations du couple se traduit par une amélioration relative de la capacité de réponse. Pour faciliter la rotation, on utilise une commu- tation de type avancé en réalisant l'ensemble détecteur indépendamment pour la rotation en marche avant et en marche arrière. La diminution de la capacité du transistor monté sur le bord pilote à phase indépendante permet de réduire le coût de fabrication. REVENDICATIONS 1. Moteur courant continu bipolaire multiphasé sans balais, caractérisé en ce qu'il comporte un géné- rateur de tension et une pluralité de phases, associées chacune à un ensemble détecteur qui contient un enco- deur de commutation (2)et des phototransistors (PA1, PA2, PB1, PB2, PC1, PC2), un bobinage d'excitation et un commutateur électronique, les phases étant séparées l'une de l'autre, chaque phase étant reliée à un géné- rateur de tension en parallèle, chaque phase comportant deux phototransistors; et en ce que l'on détermine la durée désirée de l'impulsion d'excitation, ainsi que le sens du courant qui correspond au sens de rotation du rotor, par rapport à l'encodeur de commutation (2), de sorte que l'on peut faire passer le courant bipolaire dans la bobine d'excitation pour permettre de démarrer et de faire tourner sans à-coups ledit moteur courant continu sans balais. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'encodeur de commutation (2) de l'ensemble détecteur comporte une zone de détection dont la lar- geur présente un angle, mesuré sur l'arbre, de " 21 le nombre de phases 1" le nombre de pôles du rotor le nombre de phases et dont le nombre de zones de détection est fixé par "le nombre de pôles du rotor", étant précisé que ledit moteur courant continu sans balais peut être d'un mode choisi parmi un groupe comprenant un moteur à n phases dont (n-l) excitatrices, n étant un entier au moins égal à 2, augmentant ainsi le rendement du bobinage et améliorant les ondulations du couple, permettant ainsi de donner une construction compacte audit moteur courant continu sans balais. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble détecteur comporte un type d'installation externe dont on décale certains groupes de phototransistors, dans le sens inverse du sens de rotation du moteur, d'un angle donné, par rapport à la position théorique, pour réaliser une avance de commutation et supprimer la zone de faible couple due au temps de retard et au temps de charge du transistor et à la caractéristique du courant d'excitation de la bobine, réduisant ainsi les pertes dans le cuivre. 4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble détecteur, qui est constitué de l'assemblage de l'encodeur de commutation et des photo- transistors, est prévu pour permettre de moduler la largeur de l'impulsion d'excitation en réglant la distance entre le phototransistor et l'encodeur de commutation, la largeur de la zone de détection étant déterminée avec l'angle, mesuré sur l'arbre, de 2 le nombre de phases-l,, - - - - - - - -- - - - - - - --_ _ _ _ _ _ _ _ ----- - - le nombre de pôles du rotor le nombre de phases de façon à supprimer les pertes dans le cuivre, et à augmenter au maximum le rendement du moteur, ledit réglage s'effectuant en déplaçant les phototransistors pour modifier la marche du moteur courant continu sans balais. 5. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble détecteur comporte d'autres groupes de phototransistors utilisés pour la rotation en marche arrière et placés symétriquement par rapport au groupe de phototransistors utilisé pour la rotation en marche avant, de façon que le rotor puisse tourner à la fois en marche avant et en marche arrière, ce qui permet d'obtenir la rotation en marche avant ou en marche arrière dudit moteur courant continu sans balais en fonction du choix du détecteur de rotation en marche avant ou du détecteur de rotation en marche arrière au moyen d'une manoeuvre électro- magnétique sans contact.