Brevet FR2693054A3 — publié le 19931231

FR 2693054 A3 19931231 FR 9307485 A 19930621 "Moteur électrique équipé d'un dispositif de détection de la position du rotor, de la vitesse de rotation et/ou du sens de rotation" La présente invention concerne un moteur électrique, notamment moteur à courant continu à exci- tation par aimants permanents, comportant un disposi- tif de détection de la position du rotor, de la vites- se de rotation et/ou du sens de la rotation, ce dispo- sitif comportant au moins un élément sensible au champ magnétique pour détecter les variations du flux magné- tique dépendant de la position du rotor, cet élément étant monté sur le stator du moteur, des moyens élec- triques étant prévus pour exploiter les signaux four- nis par cet élément sensible au champ magnétique.15 Pour de nombreuses applications de moteurs électriques il est nécessaire de détecter la position du rotor, la vitesse de rotation et/ou le sens de ro- tation; il s'agit par exemple de moteurs électriques de lève-glaces ou de toits ouvrant de véhicules auto-20 mobiles, pour permettre de réaliser une protection ef- ficace contre le pincement ou encore de régler la vi- tre ou le toit ouvrant dans une position prédétermi- née. Il est connu selon le document JP-abstract 60-134 748, tome 9, 21 Novembre 1985, de fixer un élé- ment à effet Hall contre la face intérieure d'un car- ter de moteur Lorsque le moteur tourne, les varia- tions du flux engendrées par les rainures de l'induit sont détectées dans cet élément à effet Hall et à par- tir des signaux fournis par cet élément on obtient un signal de la vitesse de rotation. Un montage analogue pour reconnaître la ro- tation et/ou détecter la vitesse de rotation est connu selon le document DE-GM 87 12 360 Ce document prévoit une bobine magnétique sur le côté intérieur d'une cu- lasse magnétique en forme de pot, entre les deux ai- mants d'excitation pour détecter des signaux de vites- se de rotation correspondant à la rotation du moteur. L'inconvénient des montages connus est que lorsqu'une charge est appliquée au moteur, les enrou- lements sont traversés par des courants augmentant de manière proportionnelle à la charge Ces courants en- gendrent des champs transversaux d'induit L'élément sensible au champ magnétique étant seulement en mesure de détecter l'ensemble du champ arrivant sur le stator reçoit également la composante non voulue de la varia- tion de flux engendrée par les rainures de l'induit ainsi que la composante non voulue du champ engendrée par le courant dans l'induit Suivant le type de mo- teur et l'emplacement de montage de l'élément à effet Hall, le signal de mesure est dominé alternativement par l'une ou l'autre des composantes du champ La com- posante du champ transversal d'induit n'est pas sou- haitable car elle représente plus ou moins une image de la forme du courant qui est inutilisable pour l'ex- ploitation et qui dépend des nombreuses tolérances de fabrication, d'éléments aléatoires et de phénomènes d'usure Le signal de mesure prévisible peut de ce fait arriver avec une très faible amplitude. La présente invention a pour but de remédier àces inconvénients et se propose de créer un moteur électrique correspondant au type défini ci-dessus ca- ractérisé par des moyens pour éliminer ou réduire la composante gênante du flux magnétique engendrée par la composante de champ du courant d'induit dans l'élément sensible au champ magnétique. Ce moteur électrique selon l'invention offre l'avantage d'éliminer ou du moins de réduire la compo- sante de champ provenant du courant de l'induit dans le flux magnétique donnant le signal sur l'élément sensible au champ magnétique; ainsi, dans le cas idéal, le signal fourni par l'élément sensible au champ magnétique ne contient plus que la composante souhaitée du champ d'excitation On élimine ainsi non seulement les composantes faussées du signal de mesure mais le niveau de la composante exploitable devient alors dominant. De façon avantageuse, dans la culasse magné- tique du stator il est prévu une rainure augmentant la réluctance pour le champ transversal de l'induit et l'élément sensible au champ magnétique est prévu au niveau de la rainure. Le champ transversal de l'induit se ferme grâce à cette plus grande réluctance, de préférence au niveau de la zone opposée du stator là o il n'y a pas de rainure Le flux résiduel du champ transversal de l'induit doit alors contourner la rainure ce qui per- met d'éliminer dans une très large mesure la composan- te du champ transversal d'induit sur un élément de dé- tection à effet Hall placé devant la rainure ou dans celle-ci L'élément sensible au champ magnétique peut ainsi ne fournir à l'exploitation, pratiquement que des signaux utiles fondés sur les variations de flux engendrées par les rainures de l'induit. Pour arriver à un effet optimum, la rainure est dirigée essentiellement dans la direction axiale et peut être notamment une fente traversant jusqu'à la culasse magnétique La rainure est alors avantageuse- ment prévue au niveau du pôle magnétique le plus pro- che de l'élément sensible au champ magnétique, et de préférence dans une position essentiellement centrale du pôle magnétique. Selon d'autres caractéristiques avantageuses pour éliminer les effets du champ transversal d'in- duit, gênants, on prévoit de retrancher du signal de mesure fourni par l'élément sensible au champ magnéti- que, un signal proportionnel au courant de l'induit dans un élément soustracteur On retranche ainsi la composante non voulue proportionnelle au courant cor- respondant au champ transversal d'induit si bien que la sortie de l'élément soustracteur fournit un signal qui dans le cas idéal ne contient plus que la compo- sante souhaitée du champ d'excitation. Le signal proportionnel au courant de l'in- duit est détecté avantageusement sur un shunt du cir- cuit du moteur et ce shunt peut également être un transistor appartenant à un pont à transistors comman- dant le moteur électrique L'élément soustracteur est avantageusement un amplificateur de différence. Différents exemples de réalisation de l'in- vention sont représentés aux dessins et seront décrits ci-après de manière plus détaillée Ainsi: la figure 1 est une vue en coupe transver- sale d'un moteur électrique avec une fente dans la cu- lasse magnétique pour augmenter la réluctance opposée au champ transversal de l'induit. la figure 2 montre la fente selon la figu- re 1 avec l'élément à effet Hall placé à côté selon un développement d'une zone partielle B, B' de la culasse magnétique. la figure 3 montre un circuit de soustrac- tion pour compenser la composante de courant, non sou- haitée, provenant du champ transversal d'induit. la figure 4 montre la détection d'un si- gnal proportionnel au courant d'induit par un pont à transistors commandant le moteur électrique. la figure 5 est une coupe longitudinale d'un moteur électrique avec différentes variantes de montage d'un élément à effet Hall. la figure 6 est une coupe transversale se- lon la ligne de coupe A-A du moteur électrique de la figure 5. la figure 7 montre un élément à effet Hall placé dans une cavité du tube polaire et comportant une pièce conductrice de flux, en forme d'étrier. Le moteur électrique représenté en coupe à la figure 1 est un moteur à courant continu à excita- tion par aimants permanents Un tube polaire 40 en forme de pot de section circulaire porte, dans une po- sition opposée, deux aimants permanents 13, 14 consti- tuant les pôles magnétiques Un rotor 17, représenté schématiquement, est monté à rotation entre les ai- mants permanents 13, 14 Dans un but de simplifica- tion, le collecteur usuel dans le cas d'un moteur à courant continu ainsi que les balais appliqués élasti- quement n'ont pas été représentés car il s'agit de moyens connus qui ne sont pas directement concernés par la présente invention. A l'extérieur du tube polaire 40, dans la zone médiane de l'aimant permanent 13, on a un élément à effet Hall 25 inséré dans le tube polaire 40 Pour cela, le tube polaire 40 comporte une cavité 27 en forme de rainure dont les zones d'extrémité sont élar- gies Le tube polaire 40 comporte en outre une fente axiale 42 qui passe principalement au milieu des ai- mants permanents 13 si bien que vu suivant la direc- tion périphérique, l'élément à effet Hall 25 se trouve placé à côté de cette fente Cela ressort de la figure 2 La fente 42 traverse dans la direction radiale; elle peut ne correspondre toutefois qu'à une partie seulement de l'épaisseur du tube polaire 40. Le principe de la détection de la vitesse de rotation ou de la détection de la position du rotor par un tel élément à effet Hall sur le tube polaire ou le carter polaire vient du fait que par saturation ma- gnétique du tube polaire une petite partie du flux ma- gnétique passe par l'entrefer à l'extérieur du carter polaire puisque le fer ne constitue plus dans ce cas un conducteur magnétique idéal Ce champ marginal peut se détecter à l'aide d'un élément sensible au champ magnétique dans la mesure o cet élément se trouve à l'extérieur du tube polaire 40 Dans le cas de l'élé- ment inséré selon la figure 1, on peut détecter direc- tement le flux magnétique traversant le tube polaire 40 Lorsque le rotor 17 tourne, il s'établit une fai- ble variation de l'ensemble du flux dans le moteur provenant de la rainure du rotor Cette variation pé- riodique du flux pour un nombre fixe d'induits est dé- tectés par l'élément à effet Hall; il détecte toute- fois également le champ transversal de l'induit qui est proportionnel à l'intensité du courant augmentant- avec la charge L'amplitude du champ parasite varie également en fonction de l'ensemble du flux de l'in- duit La fréquence des signaux de mesure obtenus cor- respond au produit "fréquence de la vitesse de rota- tion par nombre de rainures du rotor"; cela constitue ainsi une mesure de la vitesse de rotation du moteur électrique Par le comptage des signaux on obtient un signal proportionnel au rotor. Pour certains moteurs électriques il est difficile d'exploiter les signaux de l'élément à effet Hall ce qui conduit à des erreurs dans l'électronique d'exploitation La raison principale en est que lors- que le moteur est en charge, les enroulements sont parcourus par des courants qui augmentent proportion- nellement à la charge et engendrent un champ transver- sal 43 qui se combine au champ du moteur à courant continu à excitation par aimants permanents L'élément à effet Hall est alors en mesure de détecter l'ensem- ble du champ engendré par le moteur électrique, c'est- à-dire dans la culasse magnétique contenant la partie recherchée des variations de flux engendrées par les rainures de l'induit ainsi que la composante non vou- lue du champ engendrée par le courant de l'induit Se- lon le type de moteur et l'emplacement du montage de l'élément à effet Hall, le signal de mesure contient principalement soit l'une, soit l'autre des composan- tes du champ La composante du champ transversal de l'induit n'est pas souhaitable car elle donne plus ou moins une image du courant inutilisable pour une ex- ploitation qui dépend à son tour de nombreuses tolé- rances de fabrication, d'éléments aléatoires et de phénomènes d'usure La fente 42 qui peut également être réalisée en forme de rainure ou moyen analogue augmente à cet endroit la réluctance pour le champ transversal de l'induit De ce fait le champ transver- sal de l'induit se boucle de préférence dans la zone opposée de la culasse magnétique 40 comme cela est re- présenté par une plus grande densité de ligne de champ à la figure 1. La figure 2 montre que le faible résidu du champ transversal 43 de l'induit doit contourner la tente 42 si bien que l'élément à effet Hall 25 prévu devant cette fente 42 ne reçoit pas la composante du champ transversal de l'induit Ainsi, ce champ trans- versai de l'induit est à peine perceptible de manière gênante dans le signal de mesure Pour l'explication, le champ magnétique permanent 44 est indiqué par des lignes en trait mixte. La fente 42 peut avoir en principe également un tracé différent de la direction axiale car il est seulement important que les lignes du champ transver- sal de l'induit soient interrompues ou atténuées sen- siblement perpendiculairement à la direction axiale de la culasse 40 On pourrait également envisager plu- sieurs fentes 42 parallèles et/ou en rangées. Une autre possibilité pour éliminer la com- posante non voulue du courant du signal de mesure fourni par l'élément à effet Hall apparaît à la figure 3 On peut également utiliser de manière combinée les moyens représentés aux figures 1 et 2 et ceux de la figure 3. Selon la figure 3, le circuit d'alimentation (tension d'alimentation U) d'un moteur électrique 45, qui peut correspondre par exemple au moteur électrique représenté à la figure 1, comporte un shunt 46 aux bornes duquel on prend un signal proportionnel à l'in- tensité Ce signal proportionnel à l'intensité est ap- pliqué par une résistance intermédiaire 47 à un ampli- ficateur de différence 48 couplé en réaction par une résistance 57 L'entrée non-inversée de cet amplifica- teur de différence 48 reçoit une tension de référence constante Uref Le signal généré par l'élément à effet Hall 25 est fourni à l'amplificateur de différence 48 par une résistance intermédiaire 26 Le rapport de la résistance 56 à la résistance 47 permet de régler le coefficient d'amplification du signal du shunt par rapport au signal de l'élément à effet Hall L'ampli- ficateur de différence 48, tout d'abord branché comme additionneur, doit recevoir l'un des deux signaux, in- versé, pour fonctionner comme soustracteur Cela peut se faire par exemple simplement avec le signal de l'é- lément à effet Hall 25 en tournant celui-ci de 180 On peut également envisager une inversion électrique à l'aide d'un inverseur Par cette compensation on éli- mine du signal de l'élément à effet Hall 25 les compo- santes non souhaitées, proportionnelles au courant, engendrées par le champ transversal de l'induit Ain- si, à la sortie de l'amplificateur de différence, on dispose d'un signal de mesure qui, dans le cas idéal, ne contient plus que la composante souhaitée du champ d'excitation Ce signal de mesure est appliqué alors à un circuit drexploitation électronique 32. Ce circuit d'exploitation 32 compte les si- gnaux à la sortie de l'amplificateur de différence 48 pour détecter un signal proportionnel à la position du rotor ou pour transformer ce signal en un signal pro- portionnel à la vitesse de rotation du rotor. A la place du shunt 46 on peut également ob- tenir un signal proportionnel au courant, par exemple à l'aide d'un montage à pont actif comme celui repré- senté à la figure 4 Selon la figure 4, le moteur électrique 45 est monté dans une diagonale d'un monta- ge en pont actif formé de quatre transistors 49-52 La tension d'alimentation est appliquée aux sommets du montage en pont Par les deux prises 53, 54 sur les deux branchements du moteur 45 on peut détecter la chute de tension sur les transistors 51, 52 engendrée par le passage du courant Ces transistors 51, 52 peu- vent ainsi être assimilés à des shunts En fonction du sens de rotation, on a toujours sur l'une des prises 53, 54 un signal proportionnel au courant de sorte que les prises 53, 54 peuvent être reliées au diviseur de tension 47 par exemple par l'intermédiaire d'un monta- ge à diodes ou directement sur l'amplificateur de dif- férence 48. Les figures 5 à 7 représentent des exemples d'emplacements de montage différents des éléments à effet Hall sur un moteur électrique ou sur un stator ou un tube polaire On peut les placer chaque fois dans des fentes 42 non représentées; on peut égale- ment utiliser un montage comme celui de la figure 3. Le moteur électrique représenté aux figures et 6 est également un moteur à courant continu à ex- citation par aimants permanents Dans un tube polaire en forme de pot qui présente, selon la figure 6, une section essentiellement circulaire avec deux côtés 11, 12 opposés, aplatis, dans les deux zones circulai- res, opposées, on a les deux aimants permanents 13, 14 constituant les pôles magnétiques Ces aimants sont maintenus en place par deux ressorts de maintien d'ai- mants 15, 16 en forme de U Entre les aimants perma- nents 13, 14 se trouve un rotor 17, monté à rotation; ce rotor n'est représenté que schématiquement Dans un but de simplification la figure 5 ne montre pas le ro- tor 17. Les deux aimants permanents 13, 14 ont une forme différente l'un de l'autre Ainsi, les surfaces frontales de l'aimant permanent 13 appliquées contre les ressorts de maintien d'aimants 15, 16 sont diri- gées essentiellement dans la direction radiale alors que les surfaces frontales de l'aimant permanent 14 qui s'appliquent contre les ressorts de maintien d'ai- mants 15, 16 sont essentiellement perpendiculaires aux côtés aplatis 11, 12 Pour simplifier les dessins on a représenté ces deux variantes dans une même figure bien que dans un mode de réalisation, les deux aimants permanents d'un moteur aient la même forme. Le moteur électrique représenté aux figures 5 et 6 comporte six éléments à effet Hall 18-23 prévus il sur le tube polaire 10 constituant la culasse magnéti- que du moteur électrique Les cinq positions représen- tées constituent de nouveau une variante ce qui signi- fie que dans un mode de réalisation il n'y a qu'un seul élément à effet Hall occupant l'une des positions représentées Les éléments à effet Hall 18-21 sont prévus à l'intérieur sur les côtés aplatis 11, 12 du tube polaire 10, l'élément à effet 18 étant prévu sur le bras le plus long du ressort de maintien d'aimants 15 et l'élément à effet Hall 19 est appliqué directe- ment sur l'aimant permanent 13 car dans cette posi- tion, selon la figure 5, le bras le plus court des ressorts de maintien d'aimants 16 n'arrive pas jusqu'à la position de cet élément à effet Hall 19 De façon correspondante, l'élément à effet Hall 20 est appliqué directement contre la face frontale de l'aimant perma- nent 14 alors que l'élément à effet Hall 21 n'arrive que jusque sur le bras le plus long du ressort de maintien d'aimants 16. L'élément à effet Hall 22 est prévu dans la zone de la face frontale de l'aimant permanent 13 tournée vers l'extrémité ouverte du tube polaire 10, à une certaine distance du tube 10 Dans une autre ré- alisation, le tube polaire 10 pourrait également être de forme circulaire Cela est indiqué par les zones circulaires 24 tracées en trait interrompu pour le tube polaire L'élément à effet Hall 23 est dans ce cas prévu entre les aimants permanents 13, 14 à l'in- térieur de cette zone de tube polaire 24 en étant dé- calé axialement par rapport aux aimants permanents 13, 14 comme cela apparaît à la figure 5. Dans le cas de l'exemple de réalisation re- présenté à la figure 7, l'élément à effet Hall 25 est placé dans une cavité 27 sur la face extérieure du côté aplati 11 du tube polaire 10 Cet élément vient légèrement en saillie de cette cavité 27 Une pièce conductrice de flux 28 en forme de bras de fixation, constituée par un morceau de tôle recourbée, relie la surface marginale tournée vers l'extérieur, de l'élé- S ment à effet Hall 25 et la surface extérieure du tube polaire 10 On crée ainsi pour le flux magnétique pas- sant dans le volume extérieur, un chemin de faible ré- luctance, c'est-à-dire un chemin magnétique plus favo- * rable La pièce conductrice de flux 28 forme un court- circuit vers la pièce polaire 10 Par le montage de l'élément à effet Hall 25, entre une zone d'extrémité de la pièce conductrice de flux 28 et le tube polaire , le champ traverse l'élément à effet Hall 25 per- pendiculairement, même lorsque cet élément est par exemple monté tangent au tube polaire L'élément à ef- fet Hall 25 est branché magnétiquement en série sur la pièce conductrice de flux 28 Une borne électrique 29 de l'élément à effet Hall 25 est reliée par une ligne et un connecteur au circuit d'exploitation électro- nique 32 Pour fixer et protéger l'ensemble du montage contre les accidents, la pièce conductrice de flux 28, l'élément à effet Hall 25 et la ligne 30 sont entourés d'un boîtier en plastique 33; de manière non repré- sentée, la connexion par fiche 31 est prévue sur la face extérieure de ce boîtier en matière plastique 33. Ce boîtier en matière plastique 33 peut également être réalisé par injection ou moulage avec de la matière synthétique Un second raccord électrique pour l'élé- ment à effet Hall 25 peut être réalisé par la liaison à la masse ou encore on peut prévoir un second bran- chement électrique analogue au premier branchement électrique 29. Un autre type de montage, en variante, pour un élément à effet Hall, apparaît par exemple dans le document DE-41 28 419 L'élément à effet Hall peut être prévu par exemple à l'extérieur sur la culasse magnétique ou être serré à l'aide d'une pièce conduc- trice de flux, en forme d'étrier En outre, l'élément à effet Hall 25 peut être monté entre deux pièces con- ductrices de flux qui sont maintenues réunies par un élément en forme de pince, l'ensemble du montage étant appliqué par l'extérieur ou par l'intérieur contre la culasse magnétique Enfin, on peut également prévoir deux éléments à effet Hall en particulier avec un dé- calage de 800 électrique sur le tube polaire, par exemple dans une rainure tracée en biais dans le tube polaire pour permettre la détection du sens de rota- tion. A la place des éléments à effet Hall, on peut en principe utiliser également d'autres éléments sensibles au champ magnétique comme par exemple des plaques de champ, des bobines de champ ou des moyens analogues. En outre, les moyens décrits pour compenser le champ transversal de l'induit permettent également de détecter la position du rotor, la vitesse de rota- tion et/ou le sens de rotation sur d'autres moteurs électriques dans lesquels le mouvement de rotation en- gendre des variations de champ dispersées dans la cu- lasse magnétique. R E V E N D I C A T I O N S le) Moteur électrique, notamment moteur à courant continu à excitation par aimants permanents, comportant un dispositif de détection de la position du rotor, de la vitesse de rotation et/ou du sens de la rotation, ce dispositif comportant au moins un élé- ment sensible au champ magnétique pour détecter les variations du flux magnétique dépendant de la position du rotor, cet élément étant monté sur le stator du mo- teur, des moyens électriques étant prévus pour exploi- ter les signaux fournis par cet élément sensible au champ magnétique, moteur électrique caractérisé par des moyens ( 42, 48) pour éliminer ou réduire la compo- sante gênante du flux magnétique engendrée par la com- posante de champ du courant d'induit dans l'élément sensible au champ magnétique ( 25). ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la culasse magnétique ( 40) du stator il est prévu une rainure ( 42) augmen- tant la réluctance pour le champ transversal de l'in- duit et l'élément sensible au champ magnétique ( 25) est prévu au niveau de la rainure ( 42). ) Moteur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rainure ( 42) est dirigée essentiellement dans la direction axiale. ) Moteur électrique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la rainure ( 42) est pré- vue au niveau de l'élément ( 25) sensible au champ ma- gnétique, près du pôle magnétique ( 13) le plus proche. 50) Moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément ( 25) sensible au champ magnétique se trouve essentiellement dans une position centrale par rapport à ce pôle magnétique ( 13). ) Moteur électrique selon l'une des reven- dications 2 à 5, caractérisé en ce que la rainure ( 42) est en forme de fente traversant jusqu'au pôle magné- tique ( 13). ) Moteur électrique selon l'une des reven- dications 2 à 6, caractérisé en ce que l'élément sen- sible au champ magnétique ( 25) est prévu dans la rai- nure ( 42) ou à côté de la rainure ( 42) dans la direc- tion périphérique. ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé par un élément soustracteur ( 48) qui retranche du signal de mesure fourni par l'élément sensible au champ magnétique ( 25), un signal propor- tionnel au courant de l'induit. ) Moteur électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le signal proportionnel au courant de l'induit est le signal pris aux bornes d'un shunt ( 46, 51, 52) du circuit d'alimentation électri- que du moteur. ) Moteur électrique selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que le shunt ( 51, 52) est un transistor d'un pont à transistors commandant le mo- teur électrique ( 45). ) Moteur électrique selon l'une des re- vendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'élément soustracteur ( 48) est un amplificateur de différence. ) Moteur électrique selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'élé- ment sensible au champ magnétique ( 25) est un élément à effet Hall.