Brevet FR2685355A1 — publié le 19930625

i DISPOSITIF POUR ENTRAINER A L'AIDE D'UN SEUL MOTEUR UNE BROCHE DANS UNE BOBINEUSE La présente invention concerne un dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dont l'arbre est relié solidement au rotor du moteur électrique, avec un détecteur de position angulaire se composant d'au moins un détecteur de Hall et d'un aimant permanent dont le champ auxiliaire magnétique tournant produit des impulsions dans le détecteur de Hall. Il est connu d'appliquer à une broche, munie d'un dispositif individuel d'entraînement dans une bobineuse, des détecteurs supplémentaires pour la surveillance de la rotation et/ou de la position angulaire de la broche dans le but de commander toutes les broches Le brevet EP 436 934 décrit, dans un dispositif d'entraînement de broche à un seul moteur, dont le rotor est accouplé solidement à l'arbre de la broche, un détecteur magnétique destiné à compter le nombre de tours monté sur la broche. Le détecteur de nombre de tours se compose, d'une part, d'un aimant permanent qui tourne avec l'arbre de la broche et qui produit un champ magnétique tournant auxiliaire et, d'autre part, d'un détecteur de Hall fixe coopérant Grâce à la rotation de l'aimant permanent par rapport au détecteur de Hall, des signaux sont produits en synchronisme avec le nombre de tours dans ce détecteur. Cependant, ce détecteur de nombre de tours nécessite une place supplémentaire à l'endroit de la broche et, de ce fait, gêne aussi le montage de celle-ci Ces détecteurs sont également sujets à des défaillances en raison de leur disposition séparée. L'invention a pour objet d'éliminer les inconvénients mentionnés Elle a aussi pour objet de simplifier la mesure de la rotation de la broche et d'éviter le poids supplémentaire éventuel entraîné par les détecteurs de nombre de tours. On atteint cet objectif à l'aide d'un dispositif pour entraîner une broche à l'aide d'un seul moteur réalisé selon la présente invention et dans lequel est monté près du rotor au moins un détecteur de Hall fixe dans lequel le champ magnétique auxiliaire des aimants permanents varie en synchronisme avec la rotation de la broche; autour du détecteur de Hall est fixé, entre ce détecteur et le rotor et le stator formant les pièces actives du moteur, un élément de blindage ferromagnétique ou paramagnétique ayant une étendue plus grande que celle du détecteur de Hall; et depuis le détecteur de Hall, des conducteurs d'acheminement de signaux mènent à un dispositif de surveillance de nombre de tours de la broche etlou un dispositif de commande de champ du moteur On obtient une mesure de la rotation de la broche d'une façon très sûre Le détecteur indiquant la rotation de broche avec son détecteur de Hall et ses aimants permanents produisant le champ auxiliaire est disposé de façon compacte et protégée dans un espace libre du moteur électrique Son intégration au moteur électrique est possible grâce au fait que le champ auxiliaire dans le détecteur est protégé contre les champs parasites extérieurs du rotor et du stator en tant que parties actives du moteur; à cette fin, selon la présente invention, autour du détecteur de Hall on a disposé un élément de blindage de façon telle qu'il s'adapte au trajet des lignes de force du champ perturbateur et qu'il concentre ces lignes de force L'élément de blindage ferromagnétique préféré protège le détecteur de Hall de sorte que des signaux de rotation non perturbés sont produits par les aimants permanents dans le détecteur de Hall Des signaux de rotation ou de position non perturbés sont transmis à partir du détecteur de Hall par des conducteurs d'acheminement de signaux au dispositif de surveillance de nombre de tours et/ou de commande de champ de moteur Le détecteur de position angulaire peut être intégré dans divers moteurs électriques La forme et la disposition de son élément de blindage peuvent être modifiées selon le moteur électrique alors utilisé. L'élément de blindage est soit couplé à l'arbre de la broche relié solidement au rotor ou bien est fixé de préférence de façon immobile à un flasque de stator Le choix de la réalisation de l'élément de blindage dépend des possibilités de construction et du mode d'alimentation du stator Il est des plus judicieux de fixer l'élément de blindage et les aimants permanents à l'arbre de broche car, avec cette disposition, on peut obtenir un effet de renforcement supplémentaire souhaitable de l'élément de blindage sur le champ auxiliaire sans perte par inversion magnétique en raison de la position constante de l'élément ferromagnétique dans le champ auxiliaire tournant Ce mode de réalisation préférable de l'élément de blindage est conçu de manière telle que l'élément de blindage concentre le champ perturbateur dans la région environnante du détecteur de Hall et, en même temps, renforce le champ magnétique auxiliaire dans la région du détecteur de Hall par diminution de la réductance magnétique. Il est avantageux de disposer l'élément de blindage de manière telle qu'il dissipe également la chaleur qui se dégage près de cet élément de blindage. La forme de l'élément de blindage en tant que surface de révolution est conçue en fonction du moteur électrique utilisé et des possibilités de fixation à l'arbre de broche. L'agencement du détecteur de position angulaire est conçu de manière telle que les aimants permanents sont accouplés solidement à l'arbre de broche et les aimants permanents ainsi que l'élément de blindage sont fixés en commun à l'arbre de broche Dans un autre mode de réalisation comportant des segments ferromagnétiquesydont la réluctance varie de façon alternée et qui sont fixés symétriquement à l'arbre de broche, la réluctance vis-à-vis du champ auxiliaire des aimants permanents qui sont alors fixes varie en synchronisme avec la vitesse de rotation Le détecteur de Hall se trouve en permanence dans le champ auxiliaire de pré-magnétisation des aimants permanents fixes, cette pré- magnétisation par les segments ferromagnétiques tournants varie de façon pulsée en synchronisme avec la vitesse de rotation Les segments ferromagnétiques et l'élément de blindage peuvent être fixés au moyen d'un élément commun à l'arbre de broche. Dans le cas de l'utilisation d'un moteur à commutation électronique, le détecteur de position angulaire peut être équipé, pour détecter la position du rotor, d'au moins deux détecteurs de Hall fixes avec lesquels coopère le champ auxiliaire tournant des aimants permanents La vitesse de rotation de la broche peut aussi être déduite de ces signaux de position angulaire. Le détecteur de position angulaire est disposé au- dessus ou en dessous du rotor dans le moteur électrique après la construction ou à la suite du montage de ce moteur électrique, grâce à quoi on peut obtenir une insertion simple de la broche dans son système de support, par exemple dans le boîtier de la broche. Dans le cas de l'utilisation du dispositif d'entraînement à un seul moteur pour une broche avec l'arbre de broche disposé dans une crapaudine et un coussinet de collet de broche du boîtier de broche, on prévoit de placer le détecteur de position angulaire au- dessus du rotor fixé à l'arbre de broche Dans d'autres broches dont l'arbre de commande est disposé des deux côtés dans deux roulements à billes, le détecteur de position angulaire peut, être disposé, comme dans l'exemple de réalisation, en dessous du rotor La fixation du rotor à l'arbre de commande de broche est effectuée d'une façon connue. Les avantages pouvant être obtenus à l'aide de la présente invention résident principalement dans le fait qu'il n'est pas nécessaire de monter le détecteur de position angulaire d'une façon séparée sur la broche et que les détecteurs de Hall de ce détecteur sont protégés mécaniquement et électriquement Le détecteur de position angulaire ne gêne pas le montage de la broche Les possibilités de perturbation des détecteurs de Hall sont minimisées Spécialement dans des dispositifs d'entraînement à un seul moteur qui sont alimentés par des convertisseurs de fréquence synchronisés électroniquement, la présente invention présente des avantages car on élimine l'infuence perturbatrice des champs du moteur à la fréquence de synchronisme sur le détecteur de Hall et on obtient ainsi une détection exacte de la vitesse de rotation de la broche. On va maintenant décrire un mode de réalisation de la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente en coupe longitudinale la structure de base d'un dispositif d'entraînement de broche à un seul moteur muni d'un détecteur de position angulaire disposé en dessous du rotor; la figure 2 est une coupe partielle du détecteur de position angulaire et de l'élément de blindage fixé à l'arbre de commande de broche; la figure 3 est une coupe transversale du détecteur de position angulaire et de l'élément de blindage représentés schématiquement; la figure 4 est un diagramme de la variation du champ auxiliaire en fonction de l'angle du rotor pendant la rotation de la broche; la figure 5 est une coupe transversale du détecteur de position angulaire et de l'élément de blindage comportant des aimants permanents fixes et des segments ferromagnétiques tournants; et la figure 6 est un diagramme représentant en fonction de l'angle du rotor la variation de la réluctance et du champ auxiliaire variant de ce fait en synchronisme pendant la rotation de la broche dans le mode de réalisation de la figure 5. La figure 1 montre, en tant que dispositif d'entraînement de broche, un moteur électrique 1, dans lequel l'arbre de broche intégré est fixé de façon tournante dans le rotor 3 Le stator 4 de ce moteur électrique 1 est réalisé sous forme d'un moteur asynchrone qui supporte un enroulement statorique 5 Le rotor 3 comporte sur ses deux côtés des bagues court-circuitées 6. Le moteur électrique 1 est alimenté avec une fréquence de base qui provient d'un convertisseur de fréquence non représenté et qui produit des champs de dispersion par l'intermédiaire du champ rotorique et du champ statorique. Pour éviter un signal de nombre de tours erroné, les détecteurs de position angulaire qui sont disposés dans l'espace libre du moteur électrique 1 au voisinage du rotor 3 et dont les détecteurs de Hall 7 sont fixes et dont les aimants permanents 8 produisant un champ auxiliaire sont disposés de façon tournante, le champ auxiliaire tournant B est découplé des champs rotorique et statorique Bs perturbateurs (figure 2) Un élément de blindage 9 en forme de manchon est disposé autour du détecteur de Hall 7 et est maintenu au moyen d'un adaptateur 10 sur l'arbre de broche 2 De même, des aimants permanents 8 sont fixés à la broche 2 au moyen d'un support 11, dont les détecteurs de Hall associés 7 sont disposés de façon fixe sur un support 12 du flasque 13 de stator Dans un espace protégé, le détecteur de Hall fixe 7 est disposé entre les aimants permanents 8 tournant avec l'arbre de broche 2 et l'élément de blindage 9 de manière telle que le champ auxiliaire tournant B des aimants permanents 8 agit avec le moins de perte possible sur la région active du détecteur de Hall 7 Cette disposition compacte du détecteur de Hall 7 et des aimants permanents 8 dans l'espace libre du moteur électrique 1 procure une protection mécanique et électrique au détecteur de position angulaire 7, 8 L'élément de blindage 9 peut être monté simplement autour du détecteur de position angulaire 7, 8; il est inséré dans un adaptateur 10 fixé à l'arbre de broche 2 ou placé sur cet adaptateur. La figure 2 montre une partie agrandie de la figure 1 Les lignes de force du champ perturbateur Bs du moteur électrique 1 ainsi que celles du champ auxiliaire magnétique B des aimants permanents 8 sont représentées schématiquement L'élément de blindage ferromagnétique 9 renforce, par sa forme et sa disposition autour des détecteurs de Hall 7, le champ auxiliaire magnétique B des aimants permanents 8 en plus de protéger ces détecteurs de Hall 7 contre le champ perturbateur Bs Grâce à cette concentration des lignes de force dans l'élément de blindage 9, l'intervalle entre les signaux du champ auxiliaire B des aimants permanents 8 et ceux du champ perturbateur Bs des pièces actives 3, 4 du moteur dans la région active du détecteur de Hall 7 est en outre augmenté. Le découplage obtenu, à l'aide de l'élément de blindage 9, entre le champ auxiliaire B et le champ perturbateur Bs est égal ou meilleur que celui obtenu dans les agencements connus de détecteurs situés à une plus grande distance du champ perturbateur Bs. La coupe schématique de la figure 3 montre les aimants permanents 8 qui tournent avec 1 'arbre de broche 2 et dont les distances par rapport aux détecteurs de Hall fixes 7 qui se trouvent radialement en face pendant la rotation de la broche sont plus faibles L'élément de blindage 9 en forme de manchon est, par rapport aux aimants permanents 8, couplé à l'arbre de broche au moyen de l'adaptateur 10 de manière telle qu'il est ouvert dans la direction axiale opposée au rotor 3 Dans l'élément de blindage 9 on a représenté symboliquement le trajet du champ perturbateur Bs Les conducteurs 14 du détecteur de Hall 7 s'étendent vers l'extérieur par rapport à l'élément de blindage 9. La figure 4 montre le trajet, en fonction de l'angle, du champ auxiliaire B dans le détecteur de Hall 7 pendant la rotation de la broche Le champ auxiliaire B apparaissant et disparaissant avec la rotation de la broche sous forme d'impulsions dans le détecteur de Hall 7 est recouvert et brouillé par le champ perturbateur Bs qui est présent en permanence Le détecteur de Hall numérique 7 effectue une commutation correcte si le champ auxiliaire B, qui varie sous forme pulsée dans le détecteur de Hall 7, est plus fort de façon appropriée que le champ perturbateur Bs Si le champ perturbateur Bs était presque égal au champ auxiliaire B dans le détecteur de Hall, le détecteur de Hall 7 produirait un nombre de signaux numériques plus grand ou plus petit que celui qu'il devrait fournir en correspondance avec les signaux de nombre de tours réels. La zone de commutation du détecteur de Hall 7 est représentée en pointillé. L'élément de blindage 9 autour du détecteur de Hall 7 empêche un décalage possible du point de commutation du détecteur de Hall numérique 7 de sorte que le détecteur de Hall 7 produit un signal de détection U correspondant exactement au champ auxiliaire tournant B L'intensité du champ perturbateur Bs évolue en dessous de celle du champ auxiliaire représenté B et atteint sa valeur maximale dans des conditions de fonctionnement non stationnaires de la machine, comme lors du démarrage, du freinage et en présence d'une forte charge sur la broche Précisément, pour ces conditions, l'agencement de l'élément de blindage 9 a une grande importance, ceci étant principalement valable pour un champ perturbateur du champ rotorique important. La figure 5 est une coupe d'un détecteur de position angulaire qui, à la différence de la conception antérieure, comporte un aimant permanent fixe 8 pour chaque détecteur de Hall 7 et, en outre, trois segments ferromagnétiques 15 accouplés à l'arbre de broche 2 Un avantage des aimants permanents fixes 8 réside dans le fait que dans le cas d'un nombre de tours élevé de la broche, les forces centrifuges sont sans action sur les aimants permanents 8 Les segments tournants 15 sont en fer ferromagnétique qui supporte des forces centrifuges élevées comme la fixation des aimants permanents 8 et le matériau magnétique dur de ces derniers Pendant la rotation de la broche, l'intervalle entre les segments 15 et le détecteur de Hall 7 muni de l'aimant permanent 8 n'est pas supérieur à la distance qui existe dans la première conception entre l'aimant permanent tournant 8 et le détecteur de Hall 7 La réluctance agissant pour le détecteur de Hall 7 varie en synchronisme avec le nombre de tours comme représenté sur le diagramme de temps de la figure 6, cela en raison de la réluctance alternativement variable Rm des segments 15 et des parties évidées 16 entre segments En outre, le champ auxiliaire B qui est produit dans le détecteur de Hall 7 par les aimants permanents fixes 8 varie aussi en synchronisme de sorte que ce type de fixation de l'aimant permanent 8 permet aussi d'obtenir les signaux numériques précités U en synchronisme avec la rotation de la broche. Le diagramme représentant l'induction du champ auxiliaire B dans le détecteur de Hall 7 en fonction de l'angle (p est équivalent à celui de la figure 4, car les segments ferromagnétiques 15 qui tournent en face d'un ou de plusieurs détecteurs de Hall 7 munis d'aimants permanents de pré-magnétisation 8 sont comparables aux aimants permanents 8 montés sur la broche 2 et représentés sur la figure 3 Dans le deuxième mode de réalisation également, les champs perturbateurs Bs se superposent au champ auxilaire B, variant de façon pulsée, des aimants permanents comme dans le premier mode de réalisation des détecteurs de position angulaire 7, 8, mais ces champs perturbateurs, affaiblis par l'élément de blindage 9, ne peuvent pas faire commuter de façon erronée les détecteurs de Hall numériques 7 Sur la figure 4 de même que sur la figure 6, l'angle (p correspond à l'angle de rotation du rotor 3 de sorte qu'avec les détecteurs de position angulaire 7, 8, 15, le nombre de tours N et la position du rotor peuvent être obtenus sans erreur. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse, dont l'arbre de broche est relié solidement au rotor du moteur électrique, avec un détecteur de position angulaire se composant d'au moins un détecteur de Hall et d'un aimant permanent dont le champ magnétique auxiliaire tournant produit des impulsions dans le détecteur de Hall, caractérisé en ce que: au moins un détecteur de Hall fixe ( 7) est fixé près du rotor ( 3) dans le champ magnétique auxiliaire qui est engendré par les aimants permanents ( 8) et qui varie en synchronisme avec la rotation de la broche, autour du détecteur de Hall ( 7) est fixé un élément de blindage ( 9) ferromagnétique ou paramagnétique d'une étendue plus grande que celle du détecteur de Hall ( 7) fixé entre ce dernier et le rotor ( 3) et le stator ( 4) formant les parties actives du moteur, et des conducteurs d'acheminement de signaux mènent du détecteur de Hall ( 7) à un dispositif de surveillance du nombre de tours de la broche et/ou un dispositif de commande du champ du moteur. 2 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de blindage ( 9) est accouplé à l'arbre de broche ( 2). 3 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de blindage ( 9) est fixé avantageusement de façon immobile à un flasque ( 13) de stator ou à la carcasse du moteur. 4 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de blindage ( 9) est disposé et réalisé de façon telle qu'il suit le trajet des lignes de force du champ perturbateur aux alentours du détecteur de Hall ( 7) et, en même temps, renforce les lignes de force du champ auxiliaire dans la région du détecteur de Hall ( 7). Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de blindage ( 9), réalisé sous la forme d'une surface de révolution concentrique ou l'axe de l'arbre de broche ( 2), peut être fixé sur un adaptateur ( 10) fixé au rotor ( 3) ou au stator ( 4). 6 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur électrique une broche dans une bobineuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les aimants permanents ( 8) sont fixés de façon symétrique à l'arbre de broche ( 2) et coopèrent avec le détecteur de Hall fixe ( 7). 7 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur électrique une broche dans une bobineuse selon la revendication 6, caractérisé en ce que les aimants permanents ( 8) et l'élément de blindage ( 9) sont fixés à l'aide d'un élément commun à l'arbre de broche ( 2). 8 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les segments ferromagnétiques symétriques ( 15) dont la réluctance varie de façon alternée sont fixés à l'arbre de broche ( 2), ces segments tournant par rapport au détecteur de Hall fixe ( 7) et aux aimants permanents fixes ( 8). 9 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon la revendication 8, caractérisé en ce que les segments ferromagnétiques ( 15) et l'élément de blindage ( 9) sont fixés à l'arbre de broche ( 2) au moyen d'un élément commun. Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur électrique une broche dans une bobineuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que pour déterminer la position du rotor, le détecteur de position angulaire ( 7, 8) comporte au moins deux détecteurs de Hall ( 7) avec lesquels coopèrent les aimants permanents ( 8). 11 Dispositif pour entraîner à l'aide d'un seul moteur une broche dans une bobineuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le détecteur de position angulaire ( 7, 8) peut être monté au choix audessus ou en dessous du rotor ( 3) du moteur électrique ( 1) en fonction du type de construction du moteur électrique utilisé.