Brevet FR2691854A1 — publié le 19931203

MOTEUR A COURANT CONTINU A ROTOR BOBINE ET A CAPTEUR DE POSITION ANGULAIRE INTEGRE. La présente invention a pour objet un moteur à courant continu à capteur de position angulaire intégré. Elle concerne plus particulièrement un petit moteur à courant continu de type classique à rotor bobiné, dont les bobinages sont connectés à un collecteur rotatif monté sur l'arbre de rotation du rotor et sur lequel viennent porter des balais destinés à être reliés à une source de courant continu. On sait que dans la plupart des cas, l'objectif prioritaire des constructeurs de moteur est de réduire autant que possible l'encombrement et le poids des moteurs sans en diminuer leurs performances. A cet effet, on utilise, de préférence, des stators à aimant permanent, dont les aimants, réalisés en ferrite aimantée, se présentent sous la forme de coquilles cylindriques, de faible épaisseur, directement fixées, par exemple par collage, sur la paroi interne du corps cylindrique du moteur. L'arbre du rotor est monté rotatif sur deux paliers coaxiaux respectivement prévus sur deux flasques radiaux circulaires refermant le corps cylindrique, à chacune de ses extrémités. Dans ce type de moteur, le diamètre du corps cylindrique qui est égal à la somme du diamètre du rotor de l'entrefer et des deux épaisseurs des coquilles d'aimant permanent, peut difficilement être réduit sans diminuer les performances du moteur. La longueur du corps cylindrique est, quant à elle, sensiblement égale à la somme de la longueur axiale du rotor bobiné et de celle du collecteur. La quasi totalité du volume délimité par le corps cylindrique et les deux flasques qui le referment est donc occupée - d'une part, par l'ensemble rotor/aimant permanent, et - d'autre part, par l'ensemble comprenant les balais, les porte-balais, ainsi que la connectique qui leur est associée. C'est la raison pour laquelle l'intégration dans le moteur d'un dispositif de détection de la position angulaire du rotor, par exemple du type de ceux utilisés dans les moteurs à courant continu sans balai, implique logiquement un accroissement des dimensions du moteur, en général un allongement du corps cylindrique et de la portion de l'arbre de rotation comprise entre les paliers. En conséquence, en plus du surcroît d'encombrement qu'elle occasionne, cette intégration impose un renforcement de l'arbre de rotation du moteur ainsi que des paliers. Par ailleurs, les solutions consistant à détecter le champ magnétique engendré par le rotor sont difficilement exploitables à l'aide de moyens simples et peu coûteux. En outre, le champ magnétique engendré par un tel rotor engendre une action démagnétisante qui exclut a priori l'usage d'aimants permanents de petites dimensions dans les zones où circule ce champ démagnétisant. Par ailleurs, ces aimants, s'ils n'étaient pas affectés par le champ produit par le rotor ou par les aimants du stator, pourraient perturber le champ dans le rotor, nuisant ainsi au fonctionnement du moteur. En dépit de ces préjugés et de ces impossibilités apparentes, l'invention propose une solution permettant d'effectuer l'intégration d'un capteur de position angulaire d'un moteur à courant continu à rotor bobiné, sans modifier les dimensions de ce moteur. A cet effet, elle se base sur la constatation que le collecteur du moteur est axialement écarté de la carcasse du rotor de manière à dégager un volume cylindrique permettant le passage des extrémités des bobinages qui dépassent axialement du rotor ainsi que des moyens de connexion utilisés entre ces bobinages et le collecteur. Il s'avère que ce volume comprend, au droit des aimants permanents, de l'entrefer et des épanouissements polaires, un espace annulaire coaxial au rotor qui demeure inoccupé. De même, il subsiste entre ce volume cylindrique et le flasque situé du même côté, des zones libres axiales qui s'étendent entre les différents espaces alloués aux éléments du dispositif collecteur (balais, porte-balais, ressorts, etc...). L'invention a plus particulièrement pour but la réalisation d'un moteur à courant continu à rotor bobiné équipé d'un capteur de position angulaire du rotor spécialement conçu pour pouvoir s'intégrer dans les espaces libres précités. Selon l'invention, ce moteur est caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un élément annulaire fixé aux épanouissements polaires du rotor, coaxialement à ce dernier, cet élément s'étendant axialement dans un espace annulaire libre compris entre le rotor et le volume alloué au mécanisme du collecteur, et portant des moyens de codage détectables à distance et, d'autre part, des moyens de détection desdits moyens de codage montés fixement à proximité de l'élément annulaire. De préférence, les susdits moyens de codage seront détectables radialement, tandis que les susdits moyens de détection seront situés radialement d'un coté et/ou de l'autre de l'élément annulaire. Avantageusement, 1 ' élément annulaire pourra comporter sur sa circonférence des zones aimantées successives de polarités alternées et, dans ce cas, les moyens de détection pourront consister en une cellule à effet "Hall". Toutefois, l'invention ne se limite pas à une telle disposition. En effet, l'élément annulaire pourrait comprendre une succession de perçages radiaux ou d'échancrures, et les moyens de détection pourraient comprendre un couple émetteur/récepteur d'ondes lumineuses respectivement disposés de part et d'autre de l'élément annulaire. Bien entendu, les liaisons électriques associées aux moyens de détection sont disposées dans les espaces libres axiaux précédemment évoqués. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une coupe axiale d'un moteur à courant continu à rotor bobiné utilisant un détecteur de position angulaire électromagné tique La figure 2 est une coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 1 La figure 3 est une vue de face, côté inté rieur, du flasque équipé des balais du moteur représenté figures 1 et 2 La figure 4 est une coupe schématique d'une variante d'exécution d'un élément annulaire à zones aimantées avec deux positions possibles de la cellule à effet "Hall" ; La figure 5 est une variante d'exécution du moteur utilisant un détecteur de position angu laire optoélectronique ; La figure 6 est une vue schématique en perspec tive de l'élément annulaire utilisé dans l'exemple de la figure 5. Dans les exemples représentés sur ces dessins, le moteur se compose de façon classique - d'un corps tubulaire 1, de forme cylindrique, réalisé en un matériau magnétique tel qu'un alliage de fer, - d'un stator à aimants permanents, comprenant deux aimants permanents 2, 3 en forme de coquille cylin drique réalisée en une ferrite de faible épaisseur, ces deux aimants 2, 3 permanents étant directement collés sur la paroi cylindrique du corps (de même diamètre), - d'un rotor bobiné 4 comprenant trois bobines B1, B2, B3 enroulées sur une carcasse feuilletée comprenant trois épanouissements polaires 5, 6, 7 sensiblement à 1200, la longueur axiale de ce rotor 4 (carcasse + extrémités dépassantes des bobines B1, B2, B3) étant légèrement supérieure à la longueur axiale des aimants permanents 2, 3, - deux flasques circulaires 8, 8' en matière plastique refermant le corps cylindrique 1 à ses deux extrémités, ces deux flasques 8, 8' comprenant chacun un rebord cylindrique axial 9, 10 qui s' emboîte dans le corps 1 et un orifice coaxial 12, 13 muni d'un palier 14, 15 dans lequel est monté rotatif l'axe 16 du rotor, - un dispositif collecteur 17 monté sur la partie de l'arbre 16 comprise entre le rotor 4 et le palier 14, ce dispositif comprenant un collecteur proprement dit 18 à trois plages conductrices cylindriques et un dis positif de connexion 19 comportant trois pattes radiales 20 respectivement solidaires des plages conductrices et sur lesquelles sont soudées les extré mités des fils des bobines B1, B2, B3, - un ensemble formé de deux balais 21, 22 munis de deux charbons 23 disposés de manière à venir en appui sur le collecteur 18 en deux emplacements sensiblement opposés sous l'effet de deux ressorts sensiblement coaxiaux 24 prenant appui sur le rebord 10 du flasque 8 ; dans cet exemple, les balais 21, 22 consistent en des languettes élastiques sensiblement en forme de L dont l'une des ailes 25, qui est connectée à une borne d'alimentation du moteur, est fixée sur le rebord 10 du flasque 8. L'invention a plus particulièrement pour but d'intégrer dans une structure du type de celle précédemment décrite un capteur de position angulaire du rotor. A cet effet, elle utilise le fait qu'entre le rotor 4 et le volume alloué au mécanisme du collecteur (volume cylindrique délimité par le rebord 10), il existe un volume annulaire coaxial inoccupé V (indiqué par des rectangles en traits interrompus). De même, à l'intérieur du volume cylindrique précité, il subsiste des zones axiales libres Z situées entre le volume de débattement des languettes 21, 22 et des ressorts 24. L'invention tire parti de ces disponibilités et propose d'utiliser un capteur de position angulaire comprenant - une pièce annulaire 26 fixée sur une face radiale de l'armature du rotor 4 adjacente au volume libre V, coaxialement à celui-ci, cette pièce annulaire 26 por tant des moyens de codage détectables à distance, et - des moyens de détection desdits moyens de codage, mon tés sur la structure fixe du moteur (par exemple le corps 1 ou le flasque 8), et électriquement reliés à des éléments électriquement conducteurs passant par au moins l'une des susdites zones axiales libres Z. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la susdite pièce annulaire consiste en un anneau de ferrite directement collé sur l'armature du rotor 4 et comportant, au niveau de ses faces cylindriques (intérieures et/ou extérieures), une succession de zones aimantées successives, de polarités alternées (positive et négative). Dans ce cas, les susdits moyens de détection pourront consister en une cellule à effet "Hall" 27 disposée en regard de la face cylindrique extérieure de la pièce annulaire. Bien entendu, cette cellule à effet "Hall" 27 aurait pu être disposée en regard de la face cylindrique intérieure de la pièce annulaire, comme indiqué en traits interrompus sur la figure 1. Dans le cas où cette cellule à effet "Hall" 27 est disposée en regard de la face extérieure de l'élément annulaire, elle pourra être directement fixée par exemple par collage sur la paroi interne du corps tubulaire 1, comme indiqué sur la figure 4. Dans ce cas, les liaisons électriques entre cette cellule 27 et l'extérieur du moteur pourront être assurées au moyen de conducteurs souples isolés 28 passant par un orifice 291 prévu dans ledit corps 1. Par contre, dans les autres cas, la cellule à effet "Hall" 27 pourra être solidarisée au flasque par des éléments de fixation axiaux 29 pouvant, par exemple, consister en les pattes de connexion de la cellule. Dans ce dernier cas, les pattes 29 sont soudées à une plaquette de circuit imprimé 30 montée fixement contre l'une des deux faces du flasque 8. Ce circuit imprimé, qui peut également comprendre les circuits d'alimentation du moteur sur lesquels sont branchés les balais, peut être alors avantageusement relié à un connecteur 31 prévu sur la face extérieure du flasque 8. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. En effet, les zones aimantées pourraient être formées sur la face radiale de l'élément annulaire 26, la cellule à effet "Hall" 27' étant alors orientée de manière à effectuer une détection axiale et non radiale, comme précédemment (figure 4). Dans un cas comme dans l'autre, l'invention s'affranchit du champ démagnétisant produit par les bobines du rotor, en utilisant un élément annulaire de longueur axiale suffisante et en canalisant l'action de ce champ dans une zone de l'élément annulaire distincte de celle portant les zones aimantées, étant entendu que le champ magnétique produit par les aimants et par les bobines du rotor est en grande partie canalisé par les tôles du rotor 4 et par le corps tubulaire 1. En conséquence, l'élément annulaire 26 qui n'a pas à résister à l'action démagnétisante de champ précité, peut avoir une faible épaisseur radiale. Par ailleurs, pour économiser le matériau magnétique et mieux s'affranchir de l'influence du champ démagnétisant, l'élément annulaire 26 pourra être composé de deux tron çons tubulaires 26', 26" s'emmanchant partiellement l'un dans l'autre, le morceau de plus gros diamètre étant en ferrite ou tout matériau ayant des propriétés magnétiques analogues, le morceau de plus faible diamètre étant en plastique ou en tout autre matériau de faible coût. Le morceau de plus faible diamètre est fixé par collage à l'armature du rotor 4. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, le capteur de position angulaire est de type optoélectronique. I1 fait intervenir un élément annulaire 26 présentant des échancrures radialement traversantes E et des moyens optoélectroniques comprenant d'un coté de l'élément 26, une diode émettrice d'un rayonnement lumineux (visible ou invisible) 33 et de l'autre côté de l'élément annulaire 26, une cellule photo-électrique 34 telle que, par exemple, un phototransistor. Dans cet exemple, la diode 33 et la cellule 34 sont portées par un étrier 35 solidaire du flasque 8 et par lequel transitent les éléments de connexion électrique. Revendications 1. Moteur à courant continu à rotor bobiné et à capteur de position intégré, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un élément annulaire (26) fixé sur les épanouissements polaires du rotor (4), coaxialement à ce dernier, cet élément (26) s'étendant axialement dans un espace annulaire libre compris entre le rotor (4) et le volume alloué au mécanisme (21, 22, 23, 24, 25) du collecteur (18) et portant des moyens de codage détectables à distance et, d'autre part, des moyens de détection (27) desdits moyens de codage, montés fixement à proximité de l'élément annulaire (26). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits moyens de codage sont détectables radialement, et en ce que les susdits moyens de détection (27) sont situés radialement d'un côté et/ou de l'autre de l'élément annulaire (26). 3. Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément annulaire (26) comporte, sur sa circonférence, des zones aimantées successives, et en ce que, dans ce cas, les moyens de détection (27) consistent en une cellule à effet "Hall". 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la susdite cellule à effet "Hall" (27) est collée sur la face interne du corps cylindrique (1) du moteur et est électriquement reliée à des conducteurs souples (28, 29) passant par un perçage du susdit corps (1). 5. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cellule à effet "Hall" (27) est solidarisée au flasque (8) qui referme le corps cylin drique (1) du moteur et qui supporte les balais (21, 22) associés au collecteur (18). 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cellule à effet "Hall" (27) est électriquement connectée à un circuit imprimé (30) porté par le susdit flasque (8) et qui porte les circuits d'alimentation du moteur sur lesquels sont branchés les balais (21, 22). 7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit élément tubulaire (26) se présente sous la forme de deux tronçons tubulaires (26', 26") partiellement emmanchés l'un dans l'autre, le tron çon de plus faible diamètre étant fixé à l'armature du rotor (4). 8. Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément annulaire (26) comprend une succession de perçages radiaux ou d'échancrures radialement traversantes (E), et en ce que les moyens de détection comprennent un couple émetteur/récepteur (33, 34) d'ondes lumineuses respectivement disposées de part et d'autre de l'élément annulaire. 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le couple émetteur/récepteur (33, 34) est porté par un étrier (35) solidaire du susdit flasque (8).