Brevet FR2717324A1 — publié le 19950915

La présente invention concerne un dispositif de détection de la position angulaire d'un champ magnétique tournant existant à l'intérieur d'une machine électrique tournante, qui utilise des capteurs magnétiques qui sont excités par l'un des champs magnétiques propres à la machine électrique tournante. L'invention concerne aussi une machine électrique tournante à commutation électronique, en particulier à rotor externe, mettant en oeuvre le dispositif de détection objet de l'invention. Le pilotage des machines tournantes à commutation électronique requiert la connaissance de la position du rotor pour séquencer correctement la mise en conduction des transistors alimentant les bobinages des différentes phases nécessaires à l'établissement du champ tournant. De même, la synchronisation d'un dispositif électromécanique mettant en oeuvre au moins deux machines électriques tournante requiert la connaissance de la position angulaire du rotor d'au moins une première machine électrique tournante, par exemple pour piloter une seconde machine électrique tournante. Plusieurs procédés existent dans l'état actuel de la technique, qui permettent de déterminer la position angulaire du rotor. Certains se basent sur la mesure des variations de la force contre-électromotrice induite dans une boucle de phase lorsque celle-ci n'est pas alimentée, mais cette solution présente l'inconvénient de n'être valable que dans un intervalle de vitesses limité. D'autres procédés consistent à utiliser le troisième harmonique de la force contre-électromotrice induite dans une phase au repos, mais ils ne sont pas satisfaisants dans la mesure où une conception spécifique de la machine est requise. D'autres procédés utilisent le principe de la saturation du circuit magnétique de la machine tournante. D'autres procédés, enfin, ont pour principe la mise en oeuvre de capteurs qui identifient à chaque instant la position du rotor du moteur. Les méthodes de détection de la position par un capteur direct sont nombreuses et peuvent utiliser, par exemple des codeurs optiques, des codeurs inductifs ou des capteurs magnétiques, ceux-ci pouvant être du type capteurs à magnétorésistance ou capteurs à effet Hall. Ces capteurs sont utilisés pour relever les variations spatiales ou temporelles d'au moins une grandeur magnétique de la machine tournante, pour permettre à un moyen de contrôle d'en déduire une information relative à la position du rotor. Cette grandeur magnétique est produite par un élément générateur de champ qui est en général un aimant permanent, un bobinage parcouru par un courant ou bien encore un élément ferro-magnétique à réluctance variable. La dernière solution consistant à utiliser des capteurs à effet Hall a longtemps été considérée comme peu avantageuse du point de vue des coûts des dispositifs mis en oeuvre, en raison notamment du prix élevé des capteurs à effet Hall. Or, l'évolution de la technique dans le domaine de la microélectronique rend aujourd'hui possible la production massive de tels capteurs à un coût relativement faible. Il est connu dans l'art antérieur d'utiliser les aimants principaux de la machine tournante en plaçant les capteurs magnétiques à leur proximité. Néanmoins une telle méthode présente l'inconvénient de localiser les capteurs Hall dans une zone sévère du point de vue de l'isolation thermique et de l'humidité notamment. Dans ce genre particulier de machines électriques tournantes où le rotor est bobiné et est électriquement alimenté par un collecteur la saisie d'une information de position n'est pas nécessaire au fonctionnement du moteur, mais à des fins de synchronisation dans un ensemble électromécanique. Dans ce cas, une roue polaire est placée sur l'axe d'un rotor et est solidaire en rotation de ce dernier, la position angulaire instantanée de ladite roue étant obtenue par des capteurs magnétiques. Un tel dispositif complique la réalisation du système de commande, notamment en raison des problèmes d'alignement de la roue polaire sur l'axe magnétique de la machine tournante et induit une augmentation notable des dimensions du produit complet. Cette solution n'est donc pas adaptable au contrôle d'un moteur à commutation électronique. Les machines électriques concernées par l'invention comportent toutes des éléments générateurs de champs qui sont destinés à produire au moins un champ électromagnétique tournant de façon à produire ou bien une force électromotrice ou une force contre électromotrice selon que la machine est génératrice ou réceptrice. Dans l'application préférée dans laquelle la machine est un moteur à commutation électronique, les éléments générateurs du champ propres à la machine sont constitués par des aimants permanents dont la surface périphérique est, selon l'angle polaire mécanique, alternativement de polarités N et S successivement selon le nombre de pôles de la machine. D'autres éléments générateurs de champs sont possibles comme des bobines d'induction ou des masses polaires captant un flux magnétique qu'elles concentrent. Afin de porter remède aux inconvénients de la technique antérieure, la présente invention propose un dispositif de détection de la position angulaire d'un champ magnétique tournant généré par au moins un élément générateur de champ magnétique à l'intérieur d'une machine électrique tournante, du type utilisant au moins un capteur magnétique, caractérisé en ce qu'un guide de flux magnétique est inséré entre ledit capteur magnétique et une zone où règne le champ magnétique tournant, connecté à un moyen de détection de la position angulaire qui reçoit une mesure de la position angulaire relative entre ledit champ magnétique tournant et ledit guide de flux, produite par le capteur magnétique. La détection s'effectue ainsi uniquement à partir des éléments générateurs de champs propres à la machine tournante. Selon une autre caractéristique de l'invention, le guide de flux est monté fixe par rapport au stator de la machine électrique tournante, par exemple solidaire de la carcasse de la machine, et est placé entre le capteur magnétique et l'élément générateur du champ magnétique tournant dont on veut détecter la position angulaire. Cet élément peut par exemple être constitué par un aimant permanent lié à un rotor de la machine tournante. Il peut aussi, de manière non limitative, être constitué par un chignon fixe alimenté de manière à générer un champ tournant, ou bien encore être constitué par un chignon tournant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le guide de flux est constitué d'un bâtonnet cylindrique en matériau magnéto-conducteur, comme par exemple et de manière non limitative de la ferrite ou du fer doux. Selon une autre caractéristique de l'invention, le guide de flux magnétique est constitué de deux bâtonnet s cylindriques en matériau magnéto-conducteur, placés côte-à-côte, sans contact l'un avec l'autre, et espacés l'un de l'autre de manière à constituer, par des premières extrémités, un circuit de bouclage pour les lignes de flux s'écoulant d'un élément magnétique d'une première polarité situé devant l'un desdits bâtonnets vers un élément magnétique d'une seconde polarité situé devant l'autre desdits bâtonnets. Cette structure du guide de flux, jointe à la faible réluctance du fer, est propice à la dérivation d'un grand nombre de lignes de flux qui peuvent être ainsi dirigées vers le capteur magnétique, disposé entre les autres extrémités des bâtonnets. Selon une autre caractéristique de l'invention, le guide de flux est constitué de deux tôles plates en matériau magnéto-conducteur qui sont pliées à l'une de leurs extrémités, ces extrémités étant placées face à face du côté du capteur magnétique, de manière à réduire la largeur de l'entrefer du côté où se trouve ledit capteur, favorisant ainsi l'établissement du maximum de lignes de flux à proximité dudit capteur tout en réduisant le flux latéral entre les surfaces des deux tôles. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit guide de flux est constitué par un cylindre d'un matériau magnéto-conducteur terminé à l'ne de ses extrémités par une section plane adaptée au transfert de flux vers la surface sensible du capteur magnétique qui est placée en regard de cette section. L'autre extrémité du cylindre est terminée par une partie collectrice obtenue par exemple et de façon non limitative, par moulage ou emboutissage, cette partie collectrice étant galbée de façon à offrir un maximum de surface en regard des éléments générateurs du champ magnétique tournant dont on veut déterminer la position angulaire, comme des éléments de ferrite d'un rotor. Cette structure du guide de flux augmente ainsi la quantité de lignes de flux captées et guidées jusqu'au capteur magnétique. Selon une autre caractéristique de l'invention les capteurs magnétiques sont au nombre de trois, situés en des positions espacées régulièrement d'un angle de 600, sur un secteur angulaire couvrant donc un arc total de 1200, chacun de ces capteurs étant respectivement associé à un guide prolongateur de flux qui est fixe. Selon une autre caractéristique de l'invention, les capteurs magnétiques sont montés sur un support électronique, tel que, de manière non limitative, un circuit imprimé ou un substrat métallique isolé, sur lequel d'autres éléments électroniques de la commande de la machine électrique sont implantés. Cette caractéristique présente l'avantage de réduire les longueurs de câblage entre les capteurs magnétiques et le reste de l'électronique de commande. De plus, l'intégration des capteurs magnétiques, comme par exemple et de manière non limitative des capteurs a effet Hall ou des magnéto-résistances, peut se faire dans le cadre d'un processus industriel unique, bien connu de l'Homme du Métier de l'industrie des semi conducteurs. L'invention concerne aussi une machine électrique tournante comme un moteur à commutation électronique comportant un rotor doté d'aimants permanents à titre d'éléments générateurs de champ. Cette machine électrique tournante met en oeuvre un dispositif de détection de la position angulaire du rotor tel que celui décrit cidessus. Selon une caractéristique de l'invention, le guide de flux est fixe et la machine tournante est du type comportant des éléments de ferrite qui constituent le moyen générateur du champ détecté par au moins un capteur magnétique par l'intermédiaire d'au moins un guide de flux magnétique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description des figures annexées qui sont - les figures 1 (a) et 1 (b): un schéma de principe du fonctionnement d'un guide de flux constitué de deux bâtonnets de matériau ferro-magnétique. - la figure 2, : un schéma de principe du fonctionnement d'un guide de flux constitué de deux tôles plates de matériau ferro-magnétique dont les extrémités sont pliées. - les figures 3 (a) et 3 (b) : un mode de réalisation préféré du guide de flux utilisé dans la machine électrique tournante de l'invention. - la figure 4 (a) : une vue en coupe de la carcasse de la machine électrique tournante selon l'invention. - la figure 4 (b) : une vue de la platine du stator de la machine électrique tournante selon l'invention laissant apparaître la position des guides de flux magnétique. A la figure 1 (a), un schéma développé plan présente le guide de flux magnétique qui est une partie du dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le guide de flux est constitué par deux bâtonnets cylindriques 31 et 32 placés côte à côte. Deux liaisons magnétiques sont donc établies entre une première zone où existe au moins un champ magnétique, comme un champ de fuite entre les aimants permanents 36 et 37 d'un rotor et une seconde zone, isolée de la première par une paroi isolante 33, dans laquelle est placé au moins un capteur magnétique 39 du type capteur à effet Hall. Le capteur magnétique est connecté à un moyen de détection de la position angulaire instantanée du rotor (non représenté). Le moyen de détection permet de convertir le signal de sortie du capteur magnétique en un signal représentatif de la position angulaire relative entre le champ magnétique tournant et la position de référence sur laquelle est installée le guide de flux. L'écart Lg entre les deux bâtonnets cylindriques 31,32 est supérieur à l'écart Lf entre les deux aimants 36,37 de façon à ce que, lors de la rotation du rotor entrainant le défilement des aimants 36,37 devant le guide de flux magnétique, il existe une période de temps pendant laquelle le bâtonnet 31 est en regard du pôle Sud de l'aimant 36 alors que le bâtonnet 32 est en regard du pôle Nord de l'aimant 37. Pendant cette période de temps, la configuration du dispositif est celle représentée à la figure 1 (b) et est telle qu'un flux magnétique circule depuis l'aimant 37 vers l'aimant 36. Une partie des lignes de flux correspondantes forment une boucle qui part du pôle Nord de l'aimant 37, rentre dans le bâtonnet 32, passe du bâtonnet 32 au bâtonnet 31 par leurs sections planes respective et à travers l'entrefer E, et se referme sur le pôle Sud de l'aimant 36 à travers le bâtonnet cylindrique 31. Ces lignes de flux passent donc à proximité du capteur magnétique 39 dont la surface sensible est ainsi excitée par des éléments magnétiques liés au rotor, ce qui permet de traiter l'information reçue dans une zone isolée des effets magnétiques des champs existant dans la machine tournante, afin d'en déduire la position dudit rotor. La distance entre les aimants 36,37 et les sections collectrices des bâtonnets 31,32 est minimisée, notamment par rapport à la distance Lf entre les aimants 36,37, de façon à augmenter la quantité de lignes de flux captées par rapport aux lignes de flux directes qui s'établissent notamment entre les deux pôles directement, et à augmenter ainsi la sensibilté du dispositif capteur de champ. Des lignes de flux peuvent aussi s'établir entre les corps cylindriques des bâtonnets 31,32, et cela d'autant plus facilement que la distance Lg entre euxdeux est faible. Ce phénomène est à minimiser car il diminue l'intensité du champ reproduit devant la surface sensible du capteur et dégrade par là même les caractéristiques de détection. A la figure 2 un autre mode de réalisation utilise un guide de flux magnétique constitué de deux tôles en matériau ferro-magnétique comme du fer doux, dont les extrémités sont pliées de façon à réduire la largeur de l'entrefer entre les deux tôles 41,42 du côté où se trouve un capteur magnétique 43. Ainsi, la largeur de l'entrefer Lgl étant plus faible entre les deux parties pliées des tôles 41,42 situées du côté du capteur magnétique 43 que la largeur Lg2 de l'entrefer entre leurs deux parties parallèles, une quantité accrues de lignes de flux est guidée vers le capteur magnétique 43. Selon la variante représentée, les extrémités pliées des tôles plates 41,42 sont orientées vers le centre de la surface de détection du capteur magnétique 43, ce qui contribue à augmenter la sensibilité du dispositif de détection. A la figure 3 (a), un schéma simplifié d'un moteur à rotor externe 65 mettant en oeuvre le principe de l'invention. Le moteur est représenté en coupe et seule la partie située au dessus de l'axe de rotation 67 est représentée ici. Des éléments de ferrite 65 liés au rotor externe 64 présentent une dimension axiale plus large que celle des éléments de l'induit 66, de façon à présenter une zone 63 qui dépasse de l'induit et sous laquelle on trouve le guide de flux 60. A la figure 3 (b), un guide de flux 60, selon un mode de réalisation préféré, est constitué d'un bâtonnet de fer doux 62 terminé par une partie collectrice 61 qui a la forme d'un arc de cercle sensiblement plus large que le bâtonnet, et qui est galbée sur un diamètre légèrement inférieur à celui des éléments de ferrite 65 du rotor. Ainsi la partie collectrice 61 du guide de flux magnétique peut être logée juste au dessous des éléments de ferrite 65, l'espace laissé libre entre les deux correspondant à l'espace minimum requis pour éviter le contact. De cette façon, la partie collectrice 61 du guide de flux magnétique peut offrir une surface qui se présente parallèle à la surface des éléments de ferrite lorsque ceux-ci viennent la recouvrir lors des phases successives de la rotation du rotor 64. Ce guide de flux peut être constitué, de manière non limitative par deux éléments en ferrite ou en fer doux, et être obtenu, de manière non limitative, par moulage, emboutissage, ou par fixation. Le flux magnétique capté est maximum lorsque le guide de flux est entre deux aimants consécutifs. L'intensité du champ détecté et guidé vers le capteur magnétique 69 est donc croissante à mesure que la zone d'entrefer entre deux aimants consécutifs du rotor, dans laquelle existe un flux de fuite, se rapproche du centre de la surface de la partie collectrice 61 du guide de flux 60, puis atteint une valeur maximale lorsque cette zone est au dessus du centre de la partie collectrice 61 du guide de flux magnétique, et décroit finalement dans une dernière phase de la rotation pour atteindre une valeur minimale lorsque le centre d'un élément de ferrite du rotor se trouve au dessus du centre de la partie collectrice 61 du guide de flux magnétique 60. A la figure 4 (a) on a représenté le fond d'un corps de stator 78 pour le moteur à rotor externe objet de l'invention. Le stator est adapté pour recevoir trois guides de flux magnétiques distincts placés sur un seul cercle de diamètre donné, en des positions angulaires PH1,PH2,PH3 séparées consécutivement l'une de l'autre par un angle de 60 , l'ensemble de ces trois positions couvrant donc un secteur angulaire d'ouverture totale égale à 1200. En effet, il est bien connu de l'homme du métier que pour avoir une connaissance suffisante de la position d'un rotor comportant trois phases en rotation autour d'un stator comportant quatre pôles, il est nécessaire d'utiliser au moins trois capteurs selon une telle disposition. Chaque trou de passage PH1 à PH3 porte un support étanche de ferrite 80 qui permet à la fois de supporter le guide de flux et de fermer de manière étanche le compartiment moteur sur le compartiment du module électronique où se trouve les capteurs Hall 79 notamment. Par ailleurs, sur un cercle de diamètre beaucoup plus petit, c'est à dire de façon beaucoup plus proche de l'axe du moteur, on trouve les trous permettant le passage des languettes de connexion des trois phases, comprenant pour chaque phase un passage d'entrée et un passage de sortie, ce qui fait donc six trous El,E2,E3,S1,S2,S3. Le décalage axial entre les positions PH1,PH2,PH3 des guides de flux magnétique et la position des trous El,E2,E3,Sl,S2, S3 assure un espace suffisant autour de l'axe pour permettre l'arrivée et la connexion des fils du bobinage du rotor sur les languettes de connexion. A la figure 4 (b), une vue en coupe d'un corps de stator 78 selon le moteur à rotor externe objet de l'invention. Le rotor 74 ainsi que ses éléments de ferrite 75 sont représentés en pointillés comme venant se loger dans le corps du stator 78. Un guide de flux magnétique 70 est placé sous l'élément de ferrite 75 et traverse le fond du corps du stator pour présenter une section plane en regard d'un capteur magnétique 79. Celui-ci est avantageusement monté sur un support électronique (non représenté) lui même fixé sur une platine de commande venant se fixer sur le fond du corps du stator 78. REVENDICATIONS 1- Dispositif de détection de la position angulaire d'un champ magnétique tournant généré par au moins un élément générateur de champ magnétique à l'intérieur d'une machine électrique tournante, du type utilisant au moins un capteur magnétique, caractérisé en ce qu' il comporte un guide de flux magnétique, inséré entre ledit capteur magnétique et une zone où règne le champ magnétique tournant, connecté à un moyen de détection de la position angulaire qui reçoit une mesure de la position angulaire relative entre ledit champ magnétique tournant et ledit guide de flux, produite par le capteur magnétique. 2- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide de flux est monté fixe par rapport au stator de la machine éléctrique tournante, et est placé entre le capteur magnétique et l'élément générateur du champ magnétique tournant dont on veut détecter la position angulaire. 3- Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le guide de flux magnétique est constitué d'un bâtonnet cylindrique en matériau magnéto-conducteur. 4- Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le guide de flux magnétique est constitué de deux bâtonnets cylindriques (31,32) en matériau magnéto-conducteur, placés côte-à-côte, sans contact l'un avec l'autre, et espacés l'un de l'autre de manière à constituer un circuit de bouclage pour les lignes de flux s'écoulant d'un élément magnétique d'une première polarité (37) situé devant l'un desdits bâtonnets vers un élément magnétique d'une seconde polarité (36) situé devant l'autre desdits bâtonnets. 5- Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux bâtonnets cylindriques(41,42) en matériau magnéto-conducteur sont tordus à l'une de leurs extrémités, ces extrémités étant placées face à face de manière à minimiser la largeur de l'entrefer du côté où se trouve le capteur(39). 6- Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le guide de flux (20) est constitué par un cylindre (22) d'un matériau magnéto-conducteur terminé à l'une de ses extrémités par une section plane adaptée au transfert de flux vers le capteur magnétique (29) qui est placé en regard de cette section, et terminé à l'autre extrémité par une partie collectrice (21) galbée de façon à offrir un maximum de surface en regard des éléments générateurs du champ magnétique tournant dont on veut déterminer la position angulaire, comme des éléments de ferrite (25) du rotor (24). 7- Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs magnétiques sont au nombre de trois, situés en des positions (PH1,PH2,PH3) espacées régulièrement sur un secteur angulaire couvrant un arc total de 1200, chacun desdits capteurs étant respectivement associé à un guide prolongateur de flux qui est fixe. 8- Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs magnétiques sont montés sur un support électronique sur lequel d'autres éléments électroniques de la commande de la machine électrique sont implantés. 9- Machine électrique tournante, comme un moteur à commutation électronique, comportant un rotor doté d'aimants permanents à titre d'éléments générateurs de champ, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de détection de la position angulaire du rotor selon l'une des revendications 1 à 8. 10- Machine électrique selon la revendication 9, prise dans sa dépendance de la revendication 2, caractérisée en ce que le rotor (24) est du type comportant des éléments de ferrite (25) qui constituent le moyen générateur du champ détecté par au moins un capteur magnétique par l'intermédiaire d'au moins un guide de flux.