Brevet FR2624669A1 — publié le 19890616

Le dispositif de detection de position pour moteur électrique selon l'invention a trait aux moteurs électriques à arbre d'entraînement accouplé à un détecteur de position inductif de type synchro-résolver constitué par deux armatures magnétiques bobinées dont lune tournante est liée a arbre, et l'autre fixe est liée au bati du moteur électrique. Le marché des moteurs électriques d'asservissement pour l'automatisation de la production connait actuellement d'importants développements dans le domaine des moteurs à fort couple massique (2 Nm/kg et au-dela) présentant des couples permanents généralement compris entre 20 Nm et 350 Nm et des vitesses de rotation généralement très inférieures a 1.000 tours/minute, pour des diamètres supérieurs à 150 mm. Ces moteurs commençant seulement à apparaître, sont généralement évidés en leur centre, possédant ainsi un arbre creux entraînant le plus souvent en prise directe l'axe d'automatisme sans réducteur. C'est pourquoi, ces moteurs sont souvent appelés moteurs a Entrainement Direct. Ces moteurs de type synchrone à champ tournant nécessitent un ou des capteurs permettant de repérer correctement la position du rotor par rapport a celle du stator afin d'imposer par l'intermédiaire d'un dispositif électronique, la séquence instantanée correspondante des courants de phase, selon le principe dit de l'auto-pilotage. De nombreuses technologies permettent cet auto-pilotage (détecteurs magnétiques, optiques). Parmi ces technologies, il en est une qui présente un intérêt majeur : le capteur de position inductif de type synchro-resolver. En effet, ce capteur permet de générer sans l'adjonction d'autre capteur les signaux nécessaires au traitement des trois asservissements généralement présents sur les axes d'automatisme : couple, vitesse, position. De plus, le synchro-resolver a la différence des détecteurs optiques ou à effet Hall, est d'une technologie de type électro-magnétique homogène A celle du moteur électrique auquel il doit etre accouplé, ce qui est un facteur important de fiabilité. Les moteurs d'asservissement a fort couple massique, notamment pour l'entraînement direct d'axes d'automatismes sont divisés en deux types différents - les moteurs de type à reluctance variable : ils sont carac térisés par principe par des champs tournant de haute fréquence, et nécessitent donc des capteurs d'asservisse ment spéciaux a très grand nombre de poles. Ils sont géné ralement disposés a l'arrière du moteur rallongeant sa lon gueur de la propre épaisseur du capteur et de son habilla ge externe. De plus, ces capteurs ne peuvent être générale ment exploités du fait de leur précision limitée et de leur polarité élevée pour l'asservissement de la position de l'ar bre du moteur. - les moteurs de type à aimantspermanents : dans ces moteurs, le capteur d'asservissement n'est pas intégré ; les cons tructeurs proposent parfois aux utilisateurs d'utiliser des synchro resolvers avec carcasse flasque et roulements à billes fixés par ailleurs sur le b ti de machine automatisée et solidaires de l'arbre du moteur par un système de trans mission par poulie et courroies. Ce procédé reporte la dif ficulté technico-économique sur l'utilisateur, augmente le prix de revient de l'ensemble, diminue la capacité d'inté gration mécanique de l'actionneur et conduit par ailleurs a une limitation de la bande passante de l'asservissement du fait de la transmission non rigide existant entre moteur et capteur. Le dispositif selon l'invention a pour objet l'intégration d'un capteur de position inductif de type synchroresolver dans un moteur a arbre d'entraînement creux. Il permet de répondre aux-objections mentionnées ci-dessus grâce aux avantages suivants - volume externe du moteur inchangé par l'intégration du syn chro-resolver, - suppression de transmissions et de déports couteux et impar faits au plan de l'asservissement, - possibilité d'utiliser le synchro-resolver pour refermer la boucle de position de l'axe d'automatisme sans capteur sup plémentaire. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait que le détecteur de position est logé dans l'arbre d'entraînement qui est creux et que la- première armature magnétique bobinée du détecteur est solidaire de l'arbre creux, la seconde armature magnétique bobinée, interne a ladite pre mière armature magnétique étant solidaire du-bati du moteur électrique. Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention comporte un détecteur de position comprenant une carcasse de capteur tournante évidée en son centre, s'étendant a l'intérieur de l'arbre d'entrainement creux dont elle est solidaire, la carcasse de capteur tournante étant solidaire par sa surface interne de l'armature,magnétique bobinée tournante dont le bobinage est multipolaire monophasé, l'armature magnétique bobinée fixe lui faisant vis-a-vis, dont le bobinage est multipolaire polyphasé, l'armature magnétique bobinée fixe étant solidaire par sa surface intérieure d'une pièce de support fixe solidaire du b ti renfermant l'armature statorique du moteur électrique. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, lá pièce de support fixe se compose d'une pièce de support axial et d'un élément de fermeture constitué par une piece de fermeture coopérant avec un flasque de fermeture évidé en son centre sur. un diamètre au moins égal au diamètre extérieur de la carcasse de capteur tournante, et solidaire du bati. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant a des modes de réalisation donnés a titre d'exemples et représentés par les dessins annexés sur lesquels - la figure l est une coupe axiale du dispositif selon l'in vention dans lequel le moteur ne comporte pas de bout d'ar bre de sortie arrière - la figure 2 est une coupe axiale du dispositif dans lequel le moteur ne présente pas de bout a d'arbre de sortie arrière, un évidement central traversant axialement le moteur étant disponible - la figure 3 est une coupe axiale du dispositif dans lequel le moteur comporte a l'arrière un bout d'arbre de sortie auxiliaire. Le dispositif selon l'invention illustré par la figure 1 comporte un moteur électrique dont le bati (11) renferme une armature statorique (38) et un rotor (39) solidaire d'un arbre d'entraînement creux (1) dont l'axe est coaxial a l'arbre de révolution (40) du moteur; une carcasse de capteur tournante (2) évidée en son centre, est disposée à l'inte- rieur de l'arbre d'entraînement creux(l),réalisé notammenV acier ferromagnétique, dont elle est solidaire par l'intermédiaire d'un épaulement (18) traversé axialement par des vis de fixa tion(l9) vissées dans l'arbre d'entraînement (1) par l'intermédiaire de trous filetés (37).La carcasse de capteur tournante (2) est solidaire par sa surface interne d'une armature magnétique bobinée tournante (3) évidée cylindriquement en son centre portant un bobinage multipolaire monophasé (4) comportant un ensemble de bobines logées dans des encoches disposées au centre le l'armature magnétique bobinée tournante (3) et s'ouvrant à la périphérie de l'entrefer cylindrique (5). Le bobinage multipolaire monophasé (4) comportant des poles magnétiques de type alternativement opposé le long de la surface d'entrefer cylindrique (5) est disposé selon une nappe cylindrique coaxiale à l'axe de révolution (40) de l'arbre d'entraînement creux (1).En vis- -vis de l'armature magnétique bobinée tournante(3) et de l'autre côté de l'entrefer cylindrique (5) est disposée une armature magnétique bobinée fixe (6) évidée en son centre et comportant un bobinage multipolaires polyphasé (33), de meme nombre de pales que le bobinage multipolaire monophasé (4). Le bobinage multipolaire polyphasé (33)est lui-meme disposé selon une nappe cylindri que coaxiale à l'axe de révolution (40) r créant des pales magne- tiques de signesalternativement.opposés le long de la surface d'entrefer cylindrique (5). Le bobinage rtiltipolaire polyphasé (33) est logé-à l'intérieur d'encoches disposées à la périphérie de l'armature magnétique bobinée fixe (6), et s'ouvrant sur l'entefer cylindrique (5). Les armatures magnétiques bobinées tournante (3) et fixe (6) sont notamment constituées de tôles magnétiques empilées selon l'axe de révolution (40). L'armature magnétique bobinée fixe (6) est solidaire par sa surface interne d'une pièce de support axial (7) dépassant en longueur axiale l'extrêmité arrière (8) de l'arbre d'entraînement creux (1). La pièce de support axial (7) est solidaire du flasque (10) par une pièce de fermeture (9). La pièce de support axial (7) et la pièce de fermeture (9) peuvent être, notamment, deux parties distinctes d'une pièce unique. La pièce de support axial (7) et la pièce de fermeture (9) sont évidées en leur centre. Le flasque de fermeture (l0) est évidé en son centre d'un diamètre au moins égal au diamètre extérieur de l'épaulement (18) de la carcasse de capteur tournante (2). Le flasque de fermeture (10) est solidaire du bâti (11) renfermant l'armature statorique (38) du moteur électrique. Le palier(36) est soit au contact du flasque de fermeture (10) soit situé dans un endroit convenable, en avant du flasque de fermeture (10), ce qui peut etre notamment le cas lorsque seules les parties électromagnétiquement actives du moteur sont intégrées à l'intérieur de l'articulation d'un axe d'automa time. Le flasque de fermeture (10) fait alors office à la fois de flasque'de fermeture du moteur et de l'articulation. Le flasque de fermeture (10) est pourvu en son centre d'une surface cylindrique de centrage (20) coopérant avec la surface cylindrique de centrage (21) de la pièce de fermeture (9), l'axe de ces surfaces de centrage étant 11 axe de révolution (40). La piece de fermeture (9) est rendue solidaire du flasque de fermeture (10) par des vis de serrage (22) dont la face intérieure de la tette fait pression sur la pièce de fermeture (9) et le corps fileté est vissé dans les trous filetés (23) pratiqués dans le flasque. de fermeture (10). Les vis de serrage (22) étant dévissées, la pièce de fermeture (9) peut donc subir une rotation permettant d'initialiser convenablement la position relative des armatures magnétiques bobinées tournante (3) et fixe (6). Dans le mode de réalisation représenté, l'arbre d'entrainement(l) est appelé à faire plusieurs tours de rotation. On adjoint alors, afin d'éviter des contacts électriques glissants pour alimenter le bobinage multipolaire monophasé (4) de l'armature magnétique bobinée tournante (3), un transformateur tournant ; ce transformateur connu en soi est constitué d'un circuit magnétique primaire fixe (16) portant un bobinage(17) et d'un circuit magnétique secondaire tournant (12) portant un bobinage (13). Les bobinages (12) et (13) sont cylindriques et effectués dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution (40). Le bobinage multipolaire monophasé (4) est mis en série avec le bobinage (13) tournant. Les fils d'entrée et sortie (25) de l'armature magnétique bobinée fixe (6) et du circuit magnétique primaire fixe (16) sont acheminés par un trou (34) pratiqué dans la pièce de support axial (7) jusqu'à une prise électrique(32) solidaire de la pièce de support axial (7) et de la pièce de fermeture (9) munie d'un évidement pour la recevoir.vn évidement (24) peut être pratiqué dans la pièce de support axial (7) afin d'acheminer les fils d'entrée et de sortie (25) vers l'arrière. de l'arbre d'entrainement (1). Le mode de réalisation illustré par la figure 2 reprend les caractéristiques décrites en référence la figure 1 avec les différences suivantes - il n'existe pas de prisé électrique (32), l'évidement de la pièce de support axial (7) et l'évidement de l'arbre d'en traînement creux (1) étant laissés à la disposition de l'u utilisateur - les fils d'entrée et de sortie (25) sont acheminés vers l'ex térieur par l'intermédiaire d'un perçage (35) dans la pièce de fermeture (9). Le mode de réalisation illustré par la figure 3 reprend les caractéristiques décrites en référence à la figure 1 avec les différences suivantes - la carcasse de capteur tournante (2) est solidaire d'une pièce intérieure d'extrémité du capteur (26) évidée en son centre et coopérant par la surface de l'évidement avec un arbre de sortie auxiliaire (27) qui lui est solidaire, s'é tendant axialement selon l'axe de révolution (40) au-delà de la face externe de la pièce de fermeture (9), et séparé de la pièce de support axial (7) par un entrefer (28) -;; - un palier notamment un roulement à bille (29) logé dans l'évidement de la pièce de fermeture (9) guide l'arbore de sortie auxiliaire (27) - des trous d'accès (30) aux vis de fixation (19) de la car casse de capteur tournante (2) à l'arbre d'entraînement (1) sont disposés dans la pièce de fermeture (9) avec les memes entre-axes que les vis de fixation (19) - une surface cylindrique de centrage (31) coaxiale à l'axe de révolution est pratiquée sur la face externe de la pièce de fermeture (9) afin de solidariser notamment ia carcasse d'un capteur de position auxiliaire, accouplé à l'arbre de sortie auxiliaire (27). L'utilisation d'un capteur de position auxiliaire, non représenté, permet notamment de refermer la boucle de position de l'axe d'automatisme si l'utilisateur ne dispose pas d'un système de traitement des signaux due synchro-resolver représenté dans le dispositif selon l'invention. L'ensemble synchro-resolver et transformateur tournant fonctionne de la façon suivante - le primaire ou stator du transformateur est excité par une tension sinusoidale de fréquence élevée devant la fréquence de rotation - cette excitation crée par induction magnétique au secondai re ou rotor du transformateur tournant une tension de même fréquence et d'amplitude constante - cette dernière tension alimente l'enroulement rotorique ou primaire de synchro-resolver créant dans l'entrefer un champ multipolaire sinusoidal d'amplitude variant dans le temps de façon proportionnelle au courant d'excitation venant du rotor du.transformateur ; ; - ce champ induit au stator un champ multipolaire polyphasé, retrouvant ainsi aux bornes des phases statoriques des si gnaux de tension, de fréquence égale à la fréquence d'exci tation,et d'amplitude modulée selon la position de l'axe du champ rotorique du resolver par rapport à l'axe de la phase statorique réceptrice. On obtient donc des signaux de position absolus sur une période électrique au stator du synchro-resolver. L'arbre d'entraînement en acier ferro-magnétique sert de blindage magnétique au synchro-resolver, l'immunisant contre le parasitage électro-magnétique provenant notamment du rotor et du stator bobinés du moteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de position pour moteur électrique, comprenant un moteur électrique a arbre d'entraînement (1) accouplé à un détecteur de position inductif de type synchro-resolver constitué par aeux armatures magnétiques bobinées (3) et (6) dont lune tournante est liée à l'arbre d'entraînement (1) et dont l'autre fixe est liée au bati (11) dumoteur électrique, caractérisé par le fait que le détecteur de position est logé dans l'arbre d'entraînement (1) qui est creux et que la première armature magnétique bobinée (3) est solidaire de l'arbre creux (1), la seconde armature magnétique bobinée fixe (6), interne à ladite première armature magnétique étant solidaire du bâti (11) du moteur électrique. 2. Dispositif selon la revendication (1), caractérisé par le fait que le détecteur de position comprend une carcasse de capteur tournante (2) evidée en son centre, s'étendant à l'intérieur de 11 arbre d'entraînement creux (1) dont elle est solSdaire,la carcasse de capteur tournante (2) étant solidaire par sa surface interne de l'armature magnétique bobinée tournante (3) dont le bobinage (4) est multipolaire mo monophasé, l'armature magnétique bobinée fixe (6) lui faisant vis-à-vis, dont le bobinage (33) est multipolaire polyphasé, l'armature magnétique bobinée fixe (6) étant solidaire par sa surface intérieure d'une pièce de support fixe (7, 9,10) solidaire du b ti (11) renfermant l'armature statorique (38) du moteur électrique. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que. la piece du support fixe se compose d'une pièce de suppprt axial (7) et d'un élément de fermeture (9, 10) constitué par une pièce de fermeture (9) coopérant avec un flasque de fermeture (10) évidé en son centre sur un diamètre au moins égal au diametre extérieur de la carcasse de capteur tournante (2), et solidaire du bâti (11). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la carcasse de capteur tournante (2) est solidaire par sa surface intérieure du circuit magnétique secondaire tournant (12) d'un transformateur tournant dont le circuit magnétique primaire fixe (16) est solidaire par sa surface intérieure de la pièce de support axial (7). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la carcasse de capteur tournante (2) est pourvue d'un épaulement (18) vissé à l'extrémité (8) de l'arbre d'entrainement creux (1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisées en ce que le flasque de fermeture (10) est pourvu en son centre d'une surface cylindrique de centrage (20) coopérant avec la surface cylindrique de centrage (2mode la pièce de fermeture (9), de manière à permettre le réglage en rotation de la pièce de fermeture (9) autour de l'axe de révolution (40). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-tions précédentes caractérisé en ce que la pièce de support axial (7) est munie sur sa surface extérieure d'un évidement (24) dans lequel les fils d'entrée et de sortie (25) sont logés parallèlement à l'axe de révolution (40). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la carcasse de capteur tournante (2) est solidaire d'une pièce tournante d'ex trématé du capteur (26) solidaire d'un arbre de sortie auxiliaire (27) qui est séparé de ia pièce de support axial (7) par un entrefer (28). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un roulement à billes (29) coopère par sa surface périphérique extérieure avec la pièce de fermeture (9) dont il est solidaire et par sa surface intérieure avec l'arbre de sortie auxiliaire (27) dont il est solidaire. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une prise électrique (32) est disposée à l'intérieur de l'évidement central de la pièce de fermeture (9) connectée aux fils d'entrée et sortie (25) acheminés au bobinage (17) du transformateur tournant et au bobinage multipolaire polyphasé (33) par l'intermédiaire du trou de passage (34) pratiqué dans la pièce de support axial (7).