Brevet FR2646028A1 — publié le 19901019

MOTEUR ELECTRIQUE A COMMUTATION ELECTRONIQUE.. L'invention est relative a un moteur électrique a commutation électronique, du genre de ceux qui comportent - un rotor qui comprend des aimants permanents disposés de manière a determiner un axe magnétique de rotor - un stator qui entoure le rotor et comporte des bobines destinées a entre alimentées en courant continu et déterminant un axe magnétique de stator - des moyens de commutation pour inverser judicieusement le sens de circulation du courant dans les bobines afin que le couple électromagnétique exercé par le stator sur le rotor agisse toujours dans le même sens - au moins un capteur, en particulier du type 9 effet Hall, sensible b un champ magnétique pour commander les moyens de commutation et inverser le séns de circulation du courant dans les bobines selon la position du rotor - et des plots de réluctance prévus dans le stator pour placer le rotor å l'arret dans une position où le démarrage du moteur sera assuré. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un moteur électrique à commustation électronique tel que celui décrit et revendiqué dans la demande de brevet FR 88-87436 déposée le 3 juin 1988. On sait qu'avec des moteurs électriques de ce type, il existe un problème pour assurer le démarrage en rotation dans le bon sens, lorsque le capteur est sensible â un champ magnétique. Un premier but de l'invention est de fournir un moteur, équipé d'un capteur sensible à un champ magnétique, qui démarre systématiquement dans le bon sens des sa mise sous tension et quelle que soit la position possible du rotor a l'arret, grace â une parfaite détection périphérique. On souhaite en outre que le système de captage soit d'une conception simple et économique et qu'il permette, par un pré-réglage angulaire, de faire varier de manière sensible la vitesse de rotation du moteur, sans modifier la géométrie ni le bobinage du moteur. Selon l'invention, un moteur électrique a commutation électronique du genre défini précédemment est caractérisé par le fait que le ou chaque capteur sensible au champ magnétique est monté fixe sur le stator et qu'un aimant propre à créer un champ magnétique en direction du capteur est monté fixe sur le stator, en regard du ou de chaque capteur, tandis qu'une pièce tournante liée au rotor est prévue pour passer entre le capteur et l'aimant, cette pièce tournante comportant un secteur réalisé en une matière propre à former écran magnétique entre l'aimant et le capteur, et un autre secteur en une matière amagnétique propre à laisser passer le flux magnétique, la ligne de séparation entre les deux secteurs ayant une direction qui colncide sensiblement avec celle de l'axe magnétique du rotor. La pièce tournante peut être constituee par un disque dont le plan moyen est orthogonal â l'axe du rotor, le capteur et l'aimant étant situés de part et d'autre du disque et étant sensiblement alignés suivant une direction parallèle 9 l'axe du rotor. En variante, la pièce tournante pourrait présenter une surface cylindrique coaxiale au rotor, le capteur et l'aimant étant situés de part et d'autre de cette surface cylindrique et étant sensiblement alignés suivant une direction radiale. Les deux secteurs de la pièce tournante s'étendent, chacun, sur un angle d'environ Isg électriques. Le secteur propre à former écran magnétique est réalisé en une matière magnétiquement perméable. L'autre secteur amagnétique est prévu pour assurer l'équilibrage dynamique du disque ; de préférence, il présente une densité et une géométrie identiques à celles du secteur formant écran magnétique. Selon l'inventinn, l'aimant est toujours présenté d'un seul cbté au capteur, soit coté Nord, soit côté Sud, de préférence du côté Nord. Le capteur travaille "en tout ou rien" et est propre a basculer lorsqu'il est excité ou n'est plus excité par un champ magnétique. Avantageusement, le capteur est monté sur une carte électronique propre à fermer une extrémité axiale du stator du moteur. En décalant le secteur magnêtiquement perméable en avant ou en arrière de l'axe magnétique du rotor, par modification de la position angulaire de la pièce tournante relativement au rotor, on peut faire basculer le capteur avant ou après alignement des axes rotorique et statorique, ce décalage de l'inversion du courant dans les bobines créant un freinage électromagnétique dépendant du décalage réalisé, et entratnant une variation sensible de la vitesse de rotation du moteur. Un tel pré-réglage'angulaire permet donc de faire tourner un meme moteur å des vitesses différentes, d'une manière simple. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitementquestion 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 une coupe longitudinale simplifiée d'un moteur conforme à l'invention. La figure 2 est une vue suivant la ligne Il-Il de la figure I La figure 3 est une vue a plus grande échelle d'un détail de la figure 1, au niveau du capteur, au passage du secteur amagnétique. La figure 4, enfin, est une vue semblable à la figure 3, au passage du secteur magnétiquement perméable devant le capteur. En se reportant aux dessins, notamment aux figures 1 et 2, on peut voir un moteur électrique i b commutation électronique. Ce moteur comporte un rotor 2 qui comprend des aimants permanents 3, 4 disposés de manière a déterminer un axe magnétique D de rotor (voir figure 2), et un stator 5 qui entoure le rotor et comporte des bobines tel les que 6 destinées a être alimentées en courant continu et déterminant un axe magnétique A de stator (figure 2). Des moyens de commutation C sont prévus pour inverser judicieusement le sens de circulation du courant dans les bobines 6 afin que le couple électromagnétique exercé par le stator sur le rotor agisse toujours dans le même sens. Ces moyens C ont été schématiquement représentés par un bloc sur la figure 1. En fait, il sont prévus sur une carte électronique 7 qui ferme une extrémité axiale du stator 5. Les moyens de commutation C sont classiques et comprennent par exemple des transistors de commutation, et il n'est donc pas utile de les décrire en détail. Des plots de réluctance 8, 9 (figure 2) sont prévus dans le stator 5 pour placer le rotor 2 à l'arrêt dans une position ou le démarrage du moteur sera assuré. De préférence, la position d'arrêt du rotor 2 est telle que l'axe magnétique D du rotor forme un angle, par exemple voisin de 45-, avec l'axe magnétique A de stator. La position d'arret du rotor n'est déterminée qu'à 18g près, ce qui est à l'origine, comme on le verra par la suite, du problbme du démarrage dans le bon sens de rotation du rotor. Un capteur 10, sensible à un champ magnétique, en particulier un capteur du type à effet Hall, est prévu pour commander les moyens de commutation C et inverser le sens de circulation du courant dans les bobines 6 selon la position du rotor 2. Le capteur 1 est monté fixe sur le stator 5. Dans l'exemple de réalisation représenté, le capteur 10 est fixé sur la carte électronique 7 du côte intérieur du stator. Un aimant 11, propre à créer un champ magnétique en direction du capteur 1, est monté fixe a l'intérieur du stator 5, en regard du capteur 1. L'aimant il est présente au capteur 10 cOté Nord et une seule polarité suffit. Le capteur 10 utilisé travaille "en tout ou rien". Il bascule lorsqu'il est excité ou n'est plus excité par un champ magnétique B (Nord). Dans l'exemple de réalisation considéré, le basculement du capteur 1 a lieu pour B > 2Gs (gauss) ou B Une pièce tournante 12, liée en rotation au rotor 2, est prévue pour passer entre le capteur 1 et l'aimant 11. Cette pièce 12 est avantageusement constituee par un disque 13 dont le plan moyen est orthogonal-å l'axe du rotor 2. Le capteur 1 et l'aimant il sont situes de part et d'autre du disque 13, au voisinage du bord périphérique extérieur du disque, et sont sensiblement alignés suivant une direction parallèle a l'axe du rotor 2. Le disque 13 comporte un secteur 14 réalisé en une matière propre à former écran magnétique entre l'aimant Il et le capteur îg Le secteur 14 est réalisé en un m-étal magnétiquement perméable, par exemple acier doux ou nickel, et s'étend sur une valeur angulaire de 18 ou environ 18-, les dimensions radiales de ce secteur etant choisies pour qu'il passe entre l'aimant et le capteur lors de la rotation du disque 13. Un deuxieme secteur 15, diamétralement opposé au secteur 14, est réalisé en une matière amagnétique. La masse volumiques et la géometrie de ce secteur 15 sont identiques a celles du secteur 14 afin d'assurer l'équilibrage dynamique du disque 13 réalisé en matière plastique. Comme visible sur la figure 1, ce disque 13 peut comporter des évidements 16, en particulier tournés vers l'aimant 1t, évidements dans lesquels sont logés les secteurs 14 et 15. La ligne de séparation 17 (figure 2) entre les deux secteurs 14, 15 a une direction voisine ou coTncidant avec celle de l'axe magnétique D du rotor. Le fonctionnement du moteur est le suivant. Le capteur la et l'aimant 11 étant fixés face a face, lorsque le secteur amagnétique 15 se trouve entre eux, comme représenté sur la figure 3, le flux magnétique, représenté en tirets, de l'aimant il traverse librement le secteur 15 et le disque 13. Le capteur g est donc excité par le champ magnétique de l'aimant sur toute la valeur angulaire du secteur 15, c'est-à-dire une valeur angulaire de l'ordre de 18g dans l'exemple considéré.La sortie du capteur 1 se trouve a un état, par exemple l'état , qui assure une circulation du courant dans les bobines 6 suivant le sens convenable pour que le couple électromagnétique assure la rotation du rotor dans le sens voulu, qui est le sens d'horloge dans l'exemple considéré, sur la figure 2. Lorsque le secteur magnétiquement perméable 14 se présente entre le capteur 18 et l'aimant 11, le flux magnétique de cet aimant lt, comme représenté sur la figure 4, est attiré par le secteur 14 dont la surface relativement importante fait baisser la valeur du flux magnétique reçu par le capteur iB. Cette valeur devient insuffisante et le capteur iB bascule, sa sortie passant a l'état "1" dans l'exemple considéré. Il en résulte que le sens de circulation du courant dans les bobines 6 est inversé, ce qui permet de conserver un couple électromagnétique dans le même sens. Quelle que soit la position d'arrêt du rotor 2 et du disque 15, à 18g' près, le capteur 18 permet, par sa sortie, de savoir si le secteur 1-4 ou le secteur 15 se trouve entre ledit capteur et l'aimant 1t, ce qui permet de lever l'indétermination sur la position d'arrêt du moteur. GrSce à cette information, au démarrage du moteur, les bobines 6 sont alimentées immédiatement dans le sens approprié pour que le couple électromagnétique soit orienté dans le sens voulu, à savoir le sens d'horloge dans l'exemple de la figure 2. Le secteur 14 magnétiquement perméable étant isolé des autres parties métalliques du moteur grâce au disque 13 en matière plastique, les moyens de captage utilisés dans le moteur de l'invention ne subissent aucune perturbation et s'avèrent très fiables. Pour obtenir les meilleures performances du moteur 1, les commutations doivent s'effectuer lorsque l'axe magnétique D du rotor est aligné avec l'axe magnétique A du stator. Pour cela, les deux petits c8tés du secteur 14 magnétiquement perméable, situés sur la ligne de séparation 17 entre les secteurs, doivent etre alignés avec l'axe magnétique D du rotor. En adoptant ce calage angulaire du disque 13 relativement au rotor 2, on fera fonctionner le moteur au maximum de ses performances, notamment a vitesse maximale. Pour réduire la vitesse de rotation du moteur 1, il suffit de modifier le calage angulaire de la pièce tournante 12 En eff-et, une telle modification du calage angulaire du secteur 14, relativement à l'axe magnétique D du rotor, a pour conséquence de faire basculer le capteur ig avant ou après alignement des axes rotorique D et statorique A. Dans les deux cas, l'inversion décalée du courant dans les bobines 6 crée un freinage électromagnétique proportionnel au décalage réalisé. Il en résulte une diminution de vitesse de rotation appréciable par rapport å une consommation supplémentaire négligeable. Ce pré-réglage angulaire du disque 13 relativement au rotor 2 permet de faire tourner, sans dépense supplémentaire, un mme moteur à des vitesses différentes. Dans la réalité, pour. tenir compte des temps de réponse du capteur 1 (temps de montée et cycle d'hystérésis), I'étendue angulaire du secteur 14 magnétiquement perméable, d'un mme côté de l'axe magnétique d rotor D est diminuée et devient par exemple d'environ 17- au lieu de 18g ; la différence, par exemple de 1', est enlevée a l'arrière (selon le sens de rotation) du secteur 14 pour être reportée a l'avant. Le secteur amagnétique qui sert à l'équilibrage du disque, subit une modification symétrique. Ces Ig n'ont aucune influence pour le démarrage car ils sont situés dans une zone de couple de réluctance maximale du moteur, zone dans laquelle celui-ci ne peut s'arrAter, de par sa conception, qu'en étant utilisé hors performances. Le moteur qui a été décrit est un moteur du type bipolaire. Il est clair cependant que l'invention peut s'appliquer a des moteurs comportant plus de deux poles. L'étendue angulaire des secteurs 14 et 15 doit alors etre comprise en degrés électriques (18 degrés électriques). Autant de capteurs lg et d'aimants li seraient prévus qu'il y aurait de couples de piles. L'invention s'applique particulièrement aux moteurs autosynchrones ayant fait l'objet de la demande de brevet FR 88-7436 déposée le 3 juin 1988. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique a commutation électronique comportant - un rotor (2) qui comprend des aimants permanents (3, 4) disposés de manière å détermni-er un axe magnétique (D) de rotor - un stator (5) qui entoure le rotor et comporte des bobines (6) destinées à etre alimentées en courant continu et déterminant un axe magnétique (A) de stator - des moyens de commutation (C? pour inverser judicieusement le sens de circulation du courant dans les bobines (6) afin que le couple électromagnétique exercé par le stator (5) sur le rotor (2) agisse toujours dans le même sens ;; - au moins un capteur (I), en particulier du type S effet Hall, sensible a un champ magnétique pour commander les moyens de commutation (C) et inverser le sens de circulation du courant dans les bobines (6) selon la position du rotor (2) - et des plots de réluctance (8, 9) prévus dans le stator (5) pour placer le rotor (2) a l'arrêt dans une position ob le démarrage du moteur sera assuré, caractérisé par le fait que le ou chaque capteur (zig) sensible au champ magnétique est monté fixe sur le stator (5) et qu'un aimant (11) propre à créer un champ magnétique en direction du capteur (1) est monté fixe sur le stator (5), en regard du ou de chaque capteur, tandis qu'une pièce tournante (12) liée au rotor (2) est prévue pour passer entre le capteur (1) et l'aimant (11), cette pièce tournante (12) comportant un secteur (14) réalisé en une matière propre a former écran magnétique entre l'aimant et le capteur, et un autre secteur (15) en une matière amagnétique propre à laisser passer le flux magnétique, la ligne de séparation (17) entre les deux secteurs ayant une direction qui coTnc!de sensiblement avec celle de l'axe magnétique (D > du rotor. 2. Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce tournante (12) est constituée par un disque (13) dont le plan moyen est orthogonal à l'axe du rotor (2), le capteur (zig) et l'aimant (11) etant situés de part et d'autre du disque et étant sensiblement alignés suivant une direction paralléle à l'axe du rotor (2). 3. Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les deux secteurs (14,15) de la pièce tournante (12) s'étendent, chacun, sur un angle d'environ 18' électriques. 4. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le secteur (14) propre à former ecran magnétique est réalisé en une matière magnétiquement perméable. 5. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le secteur amagnétique (15 > est prévu pour assurer l'équilibrage dynamique du disque. 6. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le feit que pour tenir compte des temps de réponsé du capteur, l'étendue angulaire du secteur magnétiquement perméable (14), d'un même cOté de l'axe magnétique (D) du rotor, est diminuée, la différence étant enlevée à l'arrière (selon le sens de rotation) du secteur (14) pour être reportée à l'avant. 7. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'aimant (11) est présente soit du coté Nord soit du cté Sud. 8. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur (iB) travaille "en tout ou rient et est propre à basculer lorsqu'il est excité ou n'est plus excitP par un champ magnétique. 9. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur (18) est monté sur une carte électronique (7) propre à fermer une extrémité axiale du stator (5) du moteur. jg Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le calage angulaire de la pièce tournante (12) relativement au rotor est telle que les petits côtés du secteur (14) perméables magnétiquement sont décalés en avant ou en arrière de l'axe magnétique CD > du rotor, ce qui permet une diminution de la vitesse de rotation du moteur.