Brevet FR2687864A1 — publié le 19930827

L'invention se rapporte à un dispositif de détection d'au moins une variable d'état d'un moteur à courant continu sans balai. Il est nécessaire de connaître exactement la température d'un moteur à courant continu sans balai pour en fixer les grandeurs nominales, en particulier le couple maximal de charge dans différentes conditions extrêmes d'utilisation Différents dispositifs de mesure sont connus pour déterminer la température d'un tel moteur, en particulier pour en déterminer la température d'un bobinage de phase. Une méthode courante consiste à déterminer la température d'un bobinage d'un moteur à courant continu sans balai à l'aide d'un capteur Ce capteur peut être par exemple une résistance à coefficient positif de température ou à coefficient négatif de température Toutefois l'inconvénient d'un tel procédé de mesure est que la température ne peut être déterminée qu'à l'emplacement auquel le capteur est placé Il faut prévoir plusieurs de ces capteurs pour déterminer des surchauffes locales qui peuvent éventuellement se produire dans d'autres régions du bobinage, ce qui peut aussi être considéré comme un inconvénient en raison de l'accroissement de la complexité. Le document EP-A-0 284 711 décrit un dispositif de détection de la température du bobinage d'un moteur à courant continu sans balai Ce dispositif utilise le fait que la résistance d'un bobinage de phase d'un tel moteur varie en fonction de la température La mesure de la tension est effectuée sur un bobinage de phase lorsque celui-ci se trouve sans courant La mesure est exécutée dès qu'apparait un signal correspondant de commutation La mesure est comparée à une valeur correspondante du moteur lorsqu'il est froid La variation de la résistance ohmique par rapport à la résistance du bobinage de phase à l'état initial donne une mesure de la variation de température du moteur Différentes méthodes sont proposées pour déterminer la résistance du bobinage d'une phase sans courant Il est possible de prévoir par exemple un générateur d'impulsions qui envoie au bobinage une impulsion de tension pendant la phase sans courant La résistance ohmique du bobinage qui varie de son côté en fonction de la température est alors déterminée d'après la variation résultante du courant. La présente invention a pour objet la réalisation d'un dispositif qui permet de détecter au moins une variable d'état d'un moteur en régime continu. Selon une particularité essentielle de l'invention, les segments des 2 * n-pôles (n = 1, 2, 3,) du rotor du moteur à courant continu sans balai sont en matériau à aimantation permanente, au moins un élément à effet de Hall est disposé par rapport au rotor de manière que le champ magnétique des segments à aimantation permanente donne son empreinte à la tension de sortie dé cet élément à effet de Hall et un module logique détermine la température du moteur sur la base de la tension de sortie de l'élément à effet de Hall. Le dispositif de l'invention utilise le fait que l'aimantation d'un matériau susceptible d'une aimantation permanente est en relation avec la température de manière spécifique à ce matériau sous la température de Curie Tc. Le choix d'un matériau à aimantation permanente qui réagit en conséquence de manière sensible aux variations de température dans une plage prédéterminée de cette dernière permet de déterminer ces variations de température et d'effectuer des mesures absolues de température de manière optimale. La tension de sortie de l'élément à effet de Hall reçoit l'empreinte des variations de l'aimantation du matériau à aimantation permanente qui sont provoquées par les variations de température Il faut prendre soin, dans le choix de l'élément à effet de Hall, que celui-ci ne fonctionne pas à la saturantion, en particulier pour la mesure à froid Si l'élément (les éléments) à effet de Hall fonctionne (fonctionnent) à la saturation, l'accroissement de sa (de leur) tension de sortie peut néanmoins être utilisée pour la détermination de la température. Selon une autre particularité avantageuse de l'invention, il est prévu que le module logique compare la tension maximale ou minimale mesurée de sortie de l'élément à effet de Hall avec sa tension maximale ou minimale enregistrée de sortie à un état initial défini et détermine la variation de température du moteur à courant continu sans balai par rapport à l'état initial sur la base de la différence des tensions correspondantes de sortie par comparaison avec des courbes caractéristiques enregistrées. Un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention prévoit d'affecter N éléments à effet de Hall en des positions angulaires définies à un moteur à courant continu sans balai à 2 * N pôles (n = 1, 2, 3,) et que le module logique détermine la position angulaire particulière du rotor par une combinaison logique des signaux de sortie de l'élément à effet de Hall La commutation des bobinages de phase est commandée en fonction des positions angulaires déterminées du rotor Ce mode de réalisation montre l'étendue des possibilités d'utilisation du dispositif de l'invention Il permet non seulement de déterminer la température du moteur, mais aussi d'obtenir des informations sur les positions angulaires des bobinages de phase du rotor, c'est-à-dire que le dispositif de l'invention est utilisable pour le réenclenchement du champ magnétique rotatif des bobinages de phase. Selon une autre particularité avantageuse du dispositif de l'invention, le module logique détermine la vitesse de rotation du moteur à courant continu sans balai à l'aide des passages par zéro de la tension ou des tensions de sortie de l'élément ou des éléments à effet de Hall. Il est par ailleurs prévu que le module logique détermine non seulement cette vitesse de rotation, mais également le sens de rotation du moteur à courant continu sans balai sur la base de la séquence des combinaisons des signaux de sortie des éléments à effet de Hall ou sur la base de la position relative des signaux de sortie de ces éléments. Une variante de réalisation du dispositif de l'invention permet d'obtenir une information sur une désaimantation partielle du rotor, en plus de la détermination de la température, de la détermination de la vitesse de rotation, de la détermination du sens de rotation et de la détermination de la commutation. L'élément à effet de Hall est disposé de préférence à une extrémité du rotor Le module logique compare à cette fin la tension de sortie d'un élément à effet de Hall avec une courbe correspondante enregistrée de consigne Le module logique analyse des divergences irrégulières par rapport a cette courbe de consigne comme étant des signes de désaimantation ou de désaimantation partielle du rotor Un signal d'alarme ou l'arrêt du moteur rend le personnel de service attentif à ce défaut. Selon une autre particularité du dispositif de l'invention, il est prévu que les segments à aimantation permanente du rotor sont en matériau ferrimagnétique Un matériau ferrimagnétique a l'avantage, sur un matériau ferromagnétique, qu'il a une résistance électrique élevée dans des champs alternatifs Il est possible de maintenir ainsi à une très faible valeur les pertes par courant de Foucault. Suivant une autre particularité du dispositif de l'invention, les segments à aimantation permanente du rotor sont en matériau ferromagnétique et le nombre de pôles et la polarité d'un disque ferrimagnétique placé sur le côté extrême de l'induit coincident avec le nombre de pôles et la polarité du rotor du moteur à courant continu sans balai. Suivant un mode de réalisation du dispositif de l'invention, les segments individuels à aimantation permanente ou ferrimagnétiques du rotor ou les segments du disque ferrimagnétique placé sur le côté extrême du rotor comportent de leur côté des zones dont l'aimantation présente des différences de force Un mode de réalisation prévoit à cette fin qu'une atténuation de l'aimantation des segments polaires produit dans les zones prévues ces différences de force d'aimantation à l'intérieur des segments Une variante de réalisation prévoit que la différence de force d'aimantation à l'intérieur des segments est produite par un enlèvement de matière et donc par un aggrandissement de l'intervalle entre les segments et les éléments à effet de Hall dans les zones prévues à cette fin Cette nouvelle subdivision des segments magnétiques permet d'accroître à volonté la résolution de la détermination de la vitesse de rotation. L'invention va être décrite plus en détail à titre d'exemples non limitatifs à l'aide des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en bout d'un rotor d'un moteur à courant continu sans balai, la figure 2 a est un graphique représentant la tension de sortie UH (t) d'un élément à effet de Hall à deux températures différentes, l'élément à effet de Hall ne fonctionnant pas à la saturation, la figure 2 b est un graphique représentant la tension de sortie UH (t) d'un élément à effet de Hall à deux températures différents, l'élément à effet de Hall fonctionnant à la saturation, la figure 3 a est une élévation d'un rotor à six pôles, trois éléments à effet de Hall étant disposés à la circonférence du rotor en étant décalés de 80 , la figure 3 b est une élévation d'un rotor à six pôles, trois éléments à effet de Hall décalés de 80 étant disposés sur le côté extrême du rotor, la figure 4 est un graphique représentant les signaux de sortie des trois éléments à effet de Hall, ceux- ci fonctionnant à la saturation, la figure 5 a est un graphique représentant la tension de sortie d'un élément à effet de Hall pour l'aimantation M, la figure 5 b est un graphique représentant la tension de sortie d'un élément à effet de Hall dans le cas d'une désaimantation ou d'une désaimantation partielle, la figure 6 a est une vue sur le côté extrême d'un rotor, les segments individuels à aimantation permanente étant également subdivisés par des différences de force d'aimantation, la figure 6 b est une vue sur le côté extrême d'un rotor, les segments individuels à aimantation permanente étant également subdivisés par enlèvement de matière dans certaines de leurs zones, la figure 7 représente la variation dans le temp Es de la tension de sortie UH(t) d'un élément à effet de Hall selon la figure 6 a et/ou selon la figure 6 b et, la figure 8 représente un circuit de détermination des régimes d'un moteur. La figure 1 montre le côté extrême d'un rotor 1 d'un moteur à courant continu sans balai Six segments 2 à aimantation permanente sont disposés sur l'arbre 3 du rotor L'arbre 3 est en général en acier Les segments 2 à aimantation permanente sont en matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique Les deux matériaux présentent la relation déjà décrite avec la température. Un élément 4 à effet de Hall est dipsosé à une distance fixe de la circonférence ou du côté extrême du rotor 1 La tension de sortie UH(t) de cet élément varie en fonction de l'aimantation des segments 2 L'aimantation M de ces segments 2 à aimantation permanente variant en fonction de la température T, la tension de sortie UH (t) de l'élément 4 à effet de Hall contient une information sur les variations de la température du rotor 1 par rapport à un état initial défini. La figure 2 a représente la tension de sortie UH(t) d'un élément 4 à effet de Hall à deux températures différentes Tl, T 2 Dans cette représentation, l'élément 4 à effet de Hall ne fonctionne pas à la saturation Dans ce cas, la tension de sortie UH (t) de l'élément 4 suit une courbe sinusoïdale L'amplitude du signal sinusoïdal UH (t) fluctue en fonction de la température. UH (Tl) représente la tension de sortie de l'élément 4 à effet de Hall lorsque le moteur est froid. Pendant la marche, le moteur chauffe Il résulte de l'élévation de température que l'aimantation M des segments 2 à aimantation permanente varie elle diminue - Cette affaiblissement du champ magnétique des segments 2 se reflète en une tension sinusoïdale de sortie UH (t;T 2) dont l'amplitude est plus faible que celle de la tension de sortie UH (t; Tl) de l'élément 4 lorsque le moteur est froid Lorsque la variation de la tension de sortie UH (tt de l'élément 4 à effet de Hall en fonction de la température est connue, la variation de la température du moteur peut se déterminer sur la base de la différence des maxima d'amplitude de UH(t;Tl) et de UH(t;T 2) Un préalable est bien entendu que la distance séparant le rotor l et l'élément 4 à effet de Hall soit constante. La figure 2 b représente une variante de la manière dont la tension de sortie UH (t) d'un élément 4 à effet de Hall peut être utilisée pour déterminer une variation de température d'un rotor 1 La figure 2 b représente la tension de sortie UH (t) d'un élément 4 à effet de Hall également à deux températures différents T 1, T 2 Toutefois, dans ce cas, à la différence de la figure 2 a, l'élément 4 fonctionne à la saturation Les tensions de sortie UH(t) suivent une courbe trapézoïdale Une variation de la température du rotor l ne se détermine pas dans ce cas par une analyse des maxima des amplitudes, mais par la pente des flancs des tensions trapézoïdales de sortie UH (t) aux différentes températures Tl, T 2 La figure 2 b montre qu'aux basses températures, les flancs ascendants et descendants sont plus en pente qu'aux températures élevées. Les variations de températures peuvent aussi se déterminer de cette manière sur la base d'une relation préalablement déterminée entre la pente de la tension de sortie UH (t) et la température. Les figures 3 a et 3 b représentent d'autres modes de réalisation avantageux du dispositif de l'invention qui permettent d'obtenir non seulement une détermination de la température, mais aussi une détermination de variables de régime que sont la vitesse et le sens de rotation, ainsi qu'une information sur la commutation La figure 3 a représente un rotor 1 à six pôles Des éléments 4 à effet de Hall sont associés aux segments 2 à aimantation permanente du rotor 1 Les éléments 4 sont décalés de 80 dans la direction de la circonférence de l'enveloppe du rotor 1. La figure 3 b représente une autre possibilité de montage des éléments 4 à effet de Hall Ceux-ci sont également décalés de 800 dans la direction de la circonférence sur le côté extrême du rotor. La figure 4 représente les signaux de sortie A, B, C des éléments individuels 4 à effet de Hall selon les figures 3 a et 3 b Dans ce cas, les éléments 4 fonctionnent à la saturation ou leurs signaux sinusoïdaux de sortie ont été transformés en impulsions rectangulaires par le module logique Les références I à VI de la figure 4 montrent qu'une combinaison logique simple des signaux de sortie des éléments 4 à effet de Hall permet de réaliser six états différents Ces six états différents sont utilisés pour la commutation des bobinages de phase du rotor 1. 18 variations du signal de sortie se produisent à chaque révolution du rotor dans un moteur à courant continu sans balai à six pôles Ces variations peuvent être utilisées pour déterminer la vitesse de rotation du rotor 1. Deux signaux de sortie UH (t) de l'élément 4 à effet de Hall permettent de plus d'obtenir une information sur le sens de rotation du rotor La séquence des signaux de sortie combinés logiquement permet d'obtenir l'information sur le sens de rotation naturellement aussi à l'aide des trois signaux de sortie des éléments 4 à effet de Hall. La tension de sortie UH(t) de l'élément 4 à effet de Hall (ou des éléments 4) contient aussi l'information sur le taux d'aimantation des segments 2 à aimantation permanente du rotor 1, en plus de l'information sur la température, la vitesse de rotation et le sens de rotation, ainsi que l'information sur la commutation. La figure 5 a représente la tension de sortie UH(t) d'un élément 4 à effet de Hall à la température T et pour l'aimantation M des segments 2 à aimantation permanente du rotor 1. La figure 5 b représente la tension de sortie UH(t) de l'élément 4 à effet de Hall en cas de désaimantation ou de désaimantation partielle Lorsque tous les autres paramètres tels que la température T et naturellement la distance séparant l'élément 4 à effet de Hall et les segments 2 à aimantation permanente sont maintenus à une valeur constante, la courbe de la tension de sortie UH(t) de l'élément 4 permet d'observer clairement une désaimantation ou une désaimantation partielle des segments 2 du rotor 1 Une interface correspondante communique au personnel de service ce défaut apparu dans le moteur. Les figures 6 a et 6 b montrent deux exemples de la manière dont il est possible d'acquérir une information précise sur la vitesse de rotation A cette fin, les segments individuels 2 à aimantation permanente du rotor 1 sont encore subdivisés en zones 5 à faible aimantation et en zones 6 à forte aimantation Cette subdivision est produite sur la figure 6 a par une différence de la force d'aimantation des zones 5, 6 Sur la figure 6 b, le même effet s'obtient par augmentation de la distance à l'élément 4 à effet de Hall par enlèvement de matière dans les zones des segments 2 à aimantation permanente. Sur la figure 7, la tension de sortie UH(t) de l'élément 4 à effet de Hall est portée telle qu'elle prévue selon les dispositions des figures 6 a et/ou 6 b La variation trapézoïdale de la tension de sortie UH(t) montre que, dans ce cas, l'élément 4 à effet de hall fonctionne à l'état de saturation La faible aimantation des zones 5 des segments 2 à aimantation permanente s'observe par des affaiblissements de la tension trapézoïdale de sortie UH(t) Un module logique permet d'utiliser ces affaiblissements de la tension de sortie UH(t) de l'élément 4 à effet de Hall pour améliorer la résolution de la détermination de la vitesse de rotation. La figure 8 représente un circuit de détermination des régimes individuels d'un rotor 1 d'un moteur à courant continu sans balai Les tensions de sortie UH(t) des éléments 4 à effet de Hall sont dépouillées par un module logique 7 de manière qu'elles permettent de déterminer les différents régimes du moteur Ces régimes sont la température, la vitesse de rotation, le sens de rotation, l'information sur la commutation pour l'alimentation des bobinages de phase ainsi que l'aimantation du rotor 1. Les tensions de sortie UH(t) des éléments 4 à effet de Hall sont envoyées à un module 8 d'identification des signaux et de commande Ce module 8 détermine sur la base des tensions de sortie UH (t) les signaux de commutation des bobinages de phase A, B, C du moteur à courant continu sans balai Par ailleurs, le module 8 d'identification des signaux et de commande détermine le sens de rotation du rotor 1 du moteur à l'aide d'au moins deux tensions de sortie UH(t) des éléments 4 à effet de Hall. La tension de sortie UH(t) d'une sonde de Hall 4 suffit comme information pour la détermination de la vitesse de rotation, de la température et de l'aimantation du moteur La tension analogique UH(t) de sortie de la sonde 4 de Hall est numérisée par un convertisseur analogique-numérique 9 et transmise à un processeur 10 Ce processeur 10 reçoit de plus du module 8 d'identification des signaux et de commande l'information sur le signe de la tension correspondante de sortie UH(t) de la sonde 4 de Hall. La température du moteur se détermine comme déjà décrit au moyen de courbes caractéristiques, préalablement enregistrées, de la tension de sortie de la sonde 4 en fonction de la température. Une modification de l'aimantation des segments 2 du rotor 1 s'observe lorsque de graves variations du signal de sortie UH(t) de l'élément 4 à effet de hall apparaissent alors que les paramètres température et distance de l'élément 4 au rotor 1 sont constants. La vitesse de rotation se détermine par l'apparition des maxima, minima ou passage par zéro de la tension de sortie UH(t) de l'élément 4 à effet de Hall à chaque révolution. il REVENDICATIONS 1.Dispositif de détection d'au moins une variable d'état d'un moteur à courant continu sans balai, caractérisé en ce que les segments ( 2) des 2 * N pôles (n= 1, 2, 3,) du rotor ( 1) du moteur sont en matériau à aimantation permanente, en ce qu'au moins un élément ( 4) à effet de Hall est disposé par rapport au rotor ( 1) de manière que le champ magnétique des segments ( 2) à aimantation permanente donne son empreinte à la tension de sortie (UH (t)) de l'élément ( 4) à effet de Hall et en ce qu'un module logique ( 7) détermine la température du moteur sur la base de la tension de sortie (UH(t)) de l'élément ( 4) à effet de Hall. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments ( 2) à aimantation permanente sont en matériau ferrimagnétique. 3 Dispositif selon l'une des revendications i et 2, caractérisé en ce que le module logique ( 7) compare la tension maximale ou minimale mesurée de sortie de l'élément ( 4) à effet de Hall avec la tension de sortie maximale ou minimale de cet élément ( 4) qui a été enregistrée à un état initial défini et détermine une variation de température du moteur par rapport à l'état initial sur la base de la différence des tensions correspondantes de sortie. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que N éléments à effet de Hall sont associés en des positions angulaires définies à un moteur à courant continu sans balai à 2 * N pôles (n = 1, 2, 3,) et en ce que le module logique ( 7) détermine la position angulaire particulière du rotor ( 1) par une combinaison logique des signaux de sortie (UH(t)) de l'élément à effet de Hall et commande la commutation des bobinages de phase en fonction des positions angulaires déterminées du rotor ( 1) 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le module logique ( 7) détermine la vitesse de rotation du moteur à courant continu sans balai à l'aide des passages par zéro de la tension ou des tensions de sortie de l'élément ou des éléments ( 4) à effet de Hall et détermine le sens de rotation de ce moteur sur la base de la séquence des combinaisons des signaux de sortie des éléments à effet de Hall. 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins deux éléments ( 4) à effet de hall sont prévus et en ce que le module logique ( 7) détermine le sens de rotation sur la base de la position relative des combinaisons des signaux de sortie des éléments ( 4) à effet de Hall. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module logique ( 7) détecte une désaimantation ou unie désaimantation partielle du rotor ( 1) par comparaison de la tension ou des tensions de sortie de l'élémént ou des éléments ( 4) à effet de Hall avec des courbes correspondantes enregistrées de consigne. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les segments ( 2) à aimantation permanente du rotor ( 1) sont en matériau ferrimagnétique et en ce que par ailleurs un disque en matériau ferrimagnétique, dont le nombre de pôles et la polarité coincident avec ceux du rotor ( 1) du moteur, est placé sur un côté extrême du rotor ( 1). 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 8, caractérisé en ce que les segments individuels ( 2) du rotor ( 1) ou les segments ( 2) du disque ferrimagnétique monté sur le côté extrême du rotor comportent eux-mêmes des zones ( 5, 6) ayant des aimantations (M) de forces différentes. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les différences de force d'aimantation (M) à l'intérieur des segments ( 2) sont produites par atténuation de l'aimantation (M) des zones ( 5). 14 2687864 11 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les différences de force d'aimantation (M) à l'intérieur des segments ( 2) sont produites par enlèvement de matière et donc par augmentation de la distance des zones ( 5) aux éléments ( 4) à effet de Hall.