Brevet FR2726951A1 — publié le 19960515

I " Procédé et circuit pour faire démarrer un moteur à cou- rant continu, à commutation électronique, monophasé " Etat de la technique L'invention concerne un procédé et un circuit pour faire démarrer un moteur à courant continu à commuta- tion électronique, monophasé. Pour une charge qui tourne rapidement, telle que par exemple un ventilateur tournant à un régime élevé avec une vitesse de rotation de n = 3000 tours par minute, on10 dispose d'un moteur d'entraînement économique en se servant d'un moteur à courant continu à commutation électronique (moteur EC). On doit être assuré d'avoir un temps bref d'accélération et un sens de rotation unique. Pour limiter le coût, on utilise un moteur à courant continu monophasé, dans le cas duquel le nombre de semi-conducteurs de puis- sance est limité à deux au minimum. On peut faire fonction- ner de tels moteurs fondamentalement dans les deux sens de rotation. Dans le cas d'une charge qui ne doit être traitée ou ne peut être traité que dans un sens, il est en consé- quence nécessaire de recourir à des mesures particulières pour être sûr d'avoir un sens de rotation défini du moteur à courant continu. Pour limiter le coût, on ne doit pas utiliser, pour assurer le sens de rotation et pour démar- rer, de détecteurs servant à déterminer la position des pô- les. Des moteurs à courant continu de ce type, ainsi qu'un procédé et un circuit servant à son démarrage, qui remplissent ces exigences, ne sont pas connus par l'état de la technique. Avantages de l'invention Le procédé selon l'invention et le circuit selon l'invention, servant au démarrage d'un moteur à commutation électronique monophasé, se caractérisent par le fait qu'on prélève la tension induite dans les enroulements, en ce qu'en fonction de la tension induite dans les enroulements, on produit ou on ne produit pas des impulsions de commuta- tion qui font suite à l'impulsion de démarrage, en ce que, si l'on n'atteint pas le seuil de commutation, il n'est pas produit d'impulsions de commutation faisant suite à la pre- mière impulsion de démarrage, en ce que dans ce cas on ob- serve une certaine pause, en ce qu'après l'écoulement de cette pause, on alimente un second transistor de commuta- tion qui est associé ou second enroulement, par une seconde impulsion de démarrage. Le procédé selon l'invention et le circuit selon l'invention servant au démarrage d'un moteur à commutation électronique ont, par rapport à l'état de la technique, l'avantage de permettre un démarrage du moteur sans détec- teurs dans un sens de rotation déterminé de façon univoque. Dans ce cas, le coût total de ce moteur et de ce circuit est très faible. Selon l'invention, le moteur à courant continu est pourvu d'une dissymétrie électromagnétique. Pour faire démarrer le moteur à courant continu dans un sens de rota- tion déterminé, on alimente un premier transistor de commu- tation avec une première impulsion de démarrage. La tension induite dans l'enroulement est prélevée et les impulsions de commutation qui font suite à l'impulsion de démarrage sont produites ou ne sont pas produites en fonction de la tension induite dans l'enroulement. Lors du dépassement d'un seuil de commutation, il se produit des impulsions de commutation qui font suite à l'impulsion de démarrage, tan- dis que lors du franchissement du seuil de commutation, il n'est pas produit d'impulsions de commutation faisant suite à la première impulsion de démarrage. Dans ce cas, on mar- que une certaine pause et, après l'écoulement de cette pause, on applique à un second transistor de commutation, qui est associé au second enroulement, une seconde impul- sion de démarrage. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, on utilise comme moteur à cou- rant continu un moteur à induit extérieur avec de préfé- rence un rotor à aimants permanents. Selon une autre forme préférée de réalisation du moteur à courant continu utilisé, on prévoit selon une au- tre configuration appropriée de l'invention, que la dissy- métrie électromagnétique soit produite par une forme géométrique appropriée des dents du stator. Pour cela, on prévoit selon un développement avantageux que la tête des dents du stator présente une épaisseur inégale d'une ma- nière telle que l'entrefer magnétique entre le diamètre in- térieur cylindrique du rotor et les dents du stator soit inégal, l'entrefer allant en décroissant ou l'épaisseur de la tête du stator allant en croissant dans le sens du sens de rotation correct souhaité. Selon une configuration appropriée de l'inven- tion, on prévoit un seuil de commutation positif et un seuil de commutation négatif. Quand la valeur de la tension induite prélevé n'atteint pas l'une de ces valeurs de seuil de commutation, il n'y a pas de transistor de commutation qui soit commandé et, de cette façon, il n'est pas produit d'impulsion de commutation faisant suite à l'impulsion de démarrage. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - le moteur à courant continu est un moteur à induit exté- rieur avec de préférence un rotor à aimants permanents. - la dissymétrie électromagnétique est produite par une forme géométrique appropriée des dents de stator - la tête des dents de stator présente des épaisseurs dif- férentes d'une manière telle que l'entrefer magnétique entre ce diamètre intérieur cylindrique du rotor et les dents de stator soit inégal, l'entrefer allant en dé- croissant ou l'épaisseur de la tête des dents du stator allant en augmentant dans le sens du sens de rotation correct souhaité Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement le moteur à commutation électronique selon l'invention au moyen d'un schéma par blocs, - la figure 2A montre schématiquement le déroule- ment dans le temps des tensions induites dans les enroule- ments du moteur à combustion électronique, - la figure 2B montre schématiquement le déroule- ment des impulsions de commutation servant à commander le moteur à commutation électronique selon l'invention en con-25 cordance de temps avec la figure 2A, - la figure 3 montre schématiquement des impul- sions de démarrage dans le cas d'une fausse première impul- sion de démarrage, et - la figure 4 montre schématiquement, selon une vue en coupe, la construction mécanique du moteur à courant continu à commutation électronique avec une dissymétrie électromagnétique engendrée de façon mécanique. Description de l'exemple de réalisation A la figure 1, on a représenté schématiquement dans un schéma par blocs le moteur à courant continu selon la configuration de l'invention, à commutation électroni- que, monophasé, que l'on a désigné de façon tout à fait générale par la référence numérique 3. Font partie du mo- teur à commutation électronique 3 deux enroulements 1 et 2, dont le début respectif est caractérisé par un point placé latéralement. En outre, le moteur à commutation électroni- que 3 reçoit un rotor 4 dont les aimants d'excitation sont désignés par N et S. La dissymétrie électromagnétique pré- vue dans le cas du moteur à commutation électronique cons- titué selon l'invention, est représentée par la disposition des pôles magnétiques N et S tournée d'un petit angle à partir des perpendiculaires 8 aux enroulements 1, 2. Le sens de rotation qui est assuré de cette façon est désigné par la flèche 7. Le moteur à commutation électronique 3 est donc toujours entraîné uniquement dans le sens 7. On applique à l'enroulement la tension d'alimen- tation U+, par l'intermédiaire d'un premier transistor de commutation 31, au moyen d'une impulsion de commutation en- voyée sur une ligne 25. Par l'intermédiaire d'un second transistor de commutation 32, on applique à l'enroulement 2 la tension d'alimentation U+ au moyen d'une impulsion de commande envoyée sur une ligne 26. Les impulsions de commu- tation 25 et 26 sont délivrées par un circuit de commande 6 qui, de son côté, est influencé par un circuit d'exploita- tion 5. Le circuit d'exploitation 5 prélève aux points 11 et 12, les tensions induites dans les enroulements 1 et 2 et les mesure. Ce prélèvement des tensions 11 et 12 a lieu selon l'invention dans des intervalles de suppression qui sont rendus possibles par des intervalles entre l'enclen- chement et le déclenchement consécutifs des transistors 31 et 32, ou entre les impulsions de commutation 25 et 26 qui les commandent. On veille donc, dans la combinaison du cir- cuit d'exploitation 5 et du circuit de commande 6, à ce qu'à aucun moment les transistors de commutation 31 et 32 ne soient branchés en même temps. A la figure 2A, on a représenté schématiquement sous forme analogique l'évaluation dans le temps des ten- sions induites dans les enroulements 1, 2 du moteur à com- mutation électronique 3 en fonction du temps porté sur l'axe t. Pour des raisons de clarté, on a représenté seule- ment la tension 11 induite dans l'enroulement 1. A la fi- gure 2B, on a représenté de façon schématique, en concordance de temps avec la représentation de la figure 2A, un diagramme d'impulsions de l'évaluation des impul- sions de commutation 325 et 25 qui servent à commander le transistor de commutation 31 et d'impulsions de commutation 26 qui servent à commander le transistor de commutation 32. Ceci vaut alors quand le moteur à commutation électrique est mis en route dans le sens de rotation correct. Pour mettre en route le moteur 3 à commutation électronique, on amène par exemple au premier transistor de commutation 31, une impulsion de démarrage 325 de longueur constante prédéfinie dans le temps t=const. Quand la pola- risation par l'aimant d'excitation et la polarisation par l'enroulement parcouru par le courant coïncident, on ob- tient une rotation du rotor 3 d'un pas polaire. Si la ten- sion d'induction 11 dépasse alors un seuil de commutation 12" positif réglé de façon fixe, comme on a représenté cela à la figure 2, on a alors sur le second transistor 32 une impulsion de commutation 26 qui rend celui-ci passant. De cette façon, on applique à l'enroulement 2 la tension d'alimentation U+ et, comme cela, l'enroulement 2 est par- couru par le courant. L'impulsion de commutation 26 prend fin dès que la tension d'induction 11 tombe en dessous du seuil positif de commutation 12". De cette façon l'enroule- ment 2 cesse d'être parcouru par le courant. Si la tension d'induction 11 dépasse alors pendant le cycle suivant un seuil de commutation négatif réglé de façon fixe 11", comme on a représenté cela à la figure 2A, on a alors une impul- sion de commutation 25 sur le premier transistor de commu- tation 31, qui rend ce transistor passant. De cette façon l'enroulement 1 est à nouveau parcouru par le courant. L'impulsion de commutation 25 prend fin dès que la tension d'induction 11 tombe en dessous du seuil négatif de commu- tation 11". De cette façon, l'enroulement 1 cesse d'être parcouru par le courant. Ceci se poursuit de façon alter- née. De façon générale, il y a lieu de tenir fermement à ce que lors de l'évolution de la tension d'induction 11 en dehors de la zone délimitée par le seuil positif de com- mutation 12" et le seuil négatif de commutation 11", soit l'enroulement 1, soit l'enroulement 2, soit parcouru par le courant. Lors de l'évolution de la tension d'induction 11 à l'intérieur de la zone ainsi délimitée, aucun des tran- sistors de commutation 31 et 32 n'est traversé par le cou- rant et, de cette façon, aucun des deux enroulements 1 ou 2 n'est parcouru par le courant. Dans les intervalles ainsi créés selon l'invention entre les impulsions de commande 25 et 26, on prélève et on mesure la tension 11 ou 12 induite dans les enroulements. Ceci arrive dans le circuit d'ex- ploitation 5. Les impulsions de commande 25 et 26 qui pro- viennent du résultat, ainsi que les impulsions fixes de démarrage 325 et 326, sont délivrées par le circuit de com- mande 6. Dans ce cas, les impulsions de commutation 25 et 26 qui font suite aux impulsions de démarrage 325 et 326 sont fonction de la tension d'induction 11 ou 12. A la figure 2A, on a désigné par 11' une tension qui oscille autour de la ligne zéro avec seulement une très petite amplitude. Cette tension induite 11' se produit alors, quand il y a une impulsion de démarrage sur un en- roulement, lorsque la polarisation par l'aimant d'excita- tion et la polarisation par l'enroulement parcouru par le courant ne coïncident pas. Ensuite, il se produit une rota- tion du rotor 4 d'un angle seulement très petit, 63 à la figure 4. Le couple de rotation qui se développe dans ce cas ne suffit pas pour faire tourner le rotor 4 d'un pas polaire complet. Le rotor 4 tourne dans ce cas un peu à partir de sa position neutre, mais revient dans cette posi- tion, car les enroulements ne sont plus parcourus par le courant. Le moteur à commutation électronique 3 ne démarre donc pas. A la figure 3, on a désigné par la référence 325 une impulsion de démarrage qui correspond à celle de la fi- gure 2B. On a toutefois cette impulsion de démarrage 325, dans cet exemple, sur le transistor de commutation 31 "faux". Comme la tension induite 11' ne dépasse ni le seuil de commutation positif 12" ni le seuil de commutation néga- tif 11", il ne se produit pas d'impulsion de commutation15 faisant suite à l'impulsion de démarrage. Selon l'inven- tion, on marque dans ce cas une pause 300 avant que n'ait lieu de façon appropriée l'essai suivant de démarrage en délivrant une impulsion de démarrage 326 au transistor de commutation 32, c'est-à-dire à l'autre que le précédent. La pause 300 peut atteindre par exemple 300 ms et sert de temps d'amortissement pendant lequel le rotor 4 légèrement déplacé, par l'impulsion de démarrage "fausse", d'un angle de rotation seulement petit à partir de sa position de re- pos, revient au repos dans sa position neutre. Cette pause 300 peut être d'une longueur différente selon le moteur. A la figure 4, on a représenté schématiquement dans une vue en coupe la construction mécanique du moteur à commutation électronique 3, monophasé, avec une dissymétrie électromagnétique engendrée mécaniquement. Le moteur à com- mutation électronique 3 est de préférence un moteur à in- duit extérieur dans le cas duquel le rotor 4 peut tourner autour d'un axe 66. Le rotor 4 a une forme annulaire et porte, sur son côté intérieur cylindrique, au total huit aimants d'excitation 401 et 402 qui forment de leur côté une surface cylindrique. La polarisation de ces aimants d'excitation 401 et 402 est orientée une fois radialement vers l'extérieur, d'une façon correspondant à la flèche dé- signée par N pour le pôle Nord, et une fois radialement vers l'intérieur d'une façon correspondant à la flèche dé- signée par S pour le pôle Sud. Les aimants d'excitation 401 et 402 peuvent être réalisés d'une manière simple par col- lage de bandes plastiques de ferrite. On dispose un stator de forme annulaire 68 de fa- çon fixe autour d'une fixation 67 avec huit dents de stator 69. La dent de stator 69 est constituée de façon dissymé- trique dans son sabot polaire ou sa tête de dent de stator 70. Cette configuration dissymétrique est obtenue grâce au fait que la tête de dent 70 est plus épaisse à l'une de ses extrémités 71 qu'à son autre extrémité 72. Cette épaisseur différente est disposée de telle façon qu'elle se produit par rapport à la surface intérieure 403 du rotor 4, d'une manière telle que l'entrefer 60 du moteur à commutation électronique 3 décroît de façon constante de l'extrémité mince 72 vers l'extrémité épaisse 71. Le moteur 3 tourne également dans ce sens, comme cela est indiqué par la flè- che 65. La dissymétrie ainsi réalisée selon l'invention provoque un mouvement du rotor 3 d'un petit angle de rota- tion 61 à partir de la position neutre 62. Cet angle de re- pos 61 est orienté dans le sens de rotation 65 correspondant à la marche du moteur 3. Les deux enroulements 1 et 2 sont enroulés autour des cols des dents de stator 73. L'enroulement 1 est repré- senté par un cercle et l'enroulement 2 par un carré. Le point "." indique le sens d'écoulement du courant à partir du plan du dessin et le signe "X" indique le sens d'écoule- ment du courant dans le plan de représentation de la figure 4. La position des pôles est inconnue lors du branchement du moteur à commutation électronique 3 du fait de l'absence de détecteurs, de telle sorte que le branchement volontaire35 d'un transistor de commutation 31 ou 32 (figure 1) comme celui représenté à la figure 4, a pour conséquence deux réactions possibles du rotor 4. Sur la vue en coupe représentée à la figure 4, on a indiqué l'une des deux positions possibles du rotor 3 lors du démarrage. Quand l'enroulement 2 est parcouru par le courant dans le sens représente par X, le rotor 4 s'oriente dans la position neutre correspondante. Ceci cor- respond à la rotation de l'angle de rotation 63. La lon- gueur de la première impulsion de courant est constante, comme indiqué par la référence 325 à la figure 2A et la fi- gure 3, et dépend de la masse d'inertie du système tour- nant. L'angle de rotation 63 relativement petit correspond à la rotation 61 à partir de la position 62 magnétiquement neutre et n'est pas suffisant pour créer assez d'énergie de rotation pour permettre une rotation automatique du rotor 4. Ceci est en outre encore aggravé, voire même empêché, car le système se trouve en un point magnétiquement stable en atteignant la position neutre 62 et ne crée pas à cet endroit de couple de rotation. La petite rotation de l'an- gle de rotation 63 provoque en outre une tension induite trop faible 11' à la figure 2A, de telle sorte que le cir- cuit d'exploitation 5 et le circuit de commande 6 ne remar- quent pas cela. Dans cette position stable, le rotor 4 colle jusqu'à ce que l'enroulement 1 soit excité et parcou- ru par le courant. Dans la courte phase sans courant lors de la commutation entre les enroulements, le rotor 4 re- çoit, du fait de la dissymétrie magnétique, une impulsion de rotation dans le sens correct de rotation 65. Cette im- pulsion de rotation est soutenue par le flux de courant raccordé et par le champ magnétique qui en résulte dans l'enroulement 1. Le flux de courant dans l'enroulement 1 provoque le grand angle de rotation 64 qui, en même temps que l'intervalle de conduction déclenché auparavant, en- traîne la formation d'une plus grande impulsion de rota- tion. Ceci vaut aussi quand l'enroulement 1 est branché en 1l premier. L'impulsion de rotation produite de cette façon dans le sens 65, suffit pour produire la tension induite de façon à pouvoir la mesurer, et pour faire ainsi démarrer le moteur 3 de façon sûre seulement dans le sens de rotation5 correct 65. Le procédé que l'on a décrit ci-dessus et les circuits que l'on a décrit précédemment, permettent d'une manière avantageuse la mise en route sûre d'un moteur à courant continu monophasé, à commutation électronique, danso10 un sens de rotation défini, sans qu'il ait besoin pour cela d'un ou plusieurs détecteurs particuliers. En renonçant complètement à un système de détecteurs de position, on agit d'une manière favorable non seulement sur l'abaisse- ment des coûts de matériels mais aussi sur les coûts de fa-15 brication. Dans le cas de l'invention, il n'est pas nécessaire d'avoir un montage et un étalonnage avec d'étroites tolérances. R E V E N D I C A T IONS ) Procédé pour faire démarrer un moteur à cou- rant continu, à commutation électronique monophasé, carac- térisé en ce que le moteur à courant continu (3) est pourvu d'une dissymétrie électromagnétique, en ce que, pour faire passer le courant dans un enroulement (1, 2), on branche et on débranche un transistor de commutation (31, 32) corres- pondant, en ce que, pour faire démarrer le moteur à courant continu (3) dans un sens de rotation déterminé (7, 65), on alimente un premier transistor de commutation (31) avec une première impulsion de démarrage (325), en ce qu'on prélève la tension (11, 12) induite dans les enroulements (1, 2), en ce qu'en fonction de la tension (11, 12) induite dans les enroulements, on produit ou on ne produit pas des im- pulsions de commutation (26, 25) qui font suite à l'impul- sion de démarrage (325), en ce que, si l'on n'atteint pas le seuil de commutation (11", 12"), il n'est pas produit d'impulsions de commutation (26, 25) faisant suite à la première impulsion de démarrage (325), en ce que dans ce cas on observe une certaine pause (300), en ce qu'après l'écoulement de cette pause (300), on alimente un second transistor de commutation (32) qui est associé ou second enroulement (2), par une seconde impulsion de démarrage (326). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur à courant continu (3) est un moteur à induit extérieur avec de préférence un rotor (4) à aimants permanents. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que la dissymétrie électromagnétique est pro- duite par une forme géométrique appropriée des dents du stator (69). 4 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tête (70) des dents de stator (69) présente des épaisseurs différentes (71, 72) d'une manière telle que l'entrefer magnétique (60) entre le diamètre cylindrique intérieur (403) du rotor (4) et les dents de stator (69) soit inégal, l'entrefer (60) allant en décroissant ou l'épaisseur (72, 71) de la tête des dents de stator (70) allant en augmentant dans le sens du sens de rotation cor- rect souhaité (65). ) Procédé selon la revendication 1 ou l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un seuil de commutation positif et un seuil de commutation né- gatif (12", 11") et en ce que, quand la valeur de la ten- sion induite prélevée (11, 12) n'atteint pas l'un de ces seuils, les transistors de commutation (31, 32) ne sont pas commandés et, de cette façon, il n'y a pas d'impulsion de commutation (25, 26) qui fait suite à l'impulsion de démar- rage (325, 326). 6 ) Circuit pour faire démarrer un moteur à cou- rant continu, à commutation électronique, monophasé, dont les enroulements (1, 2) sont parcourus par le courant par l'intermédiaire de transistors de commutation (31, 32), circuit caractérisé en ce qu'entre les enroulements (1, 2) et les aimants d'excitation (401, 402) du moteur à courant continu (3), il est prévu une dissymétrie électromagnéti- que, en ce qu'il est prévu un circuit d'exploitation (6) qui mesure et exploite les tensions induites (11, 12) dans les enroulements (1, 2), en ce qu'il est prévu un circuit de commande (6) qui commande les transistors de commutation (31, 32) pour relier les enroulements (1, 2) à une source de tension (U+), le circuit de commande (6) délivrant, après une impulsion de démarrage (325, 326), à l'un des transistors de commutation (31, 32), les impulsions de com- mutation qui font suite (25, 26), seulement en cas de dé- passement d'un seuil de commutation (11", 12") de la tension (11, 12) induite, mesurée et exploitée par le cir- cuit d'exploitation (5), et dans lequel, quand le seuil de commutation (11", 12") n'est pas atteint après l'impulsion de démarrage (325, 326) le circuit de commande (6) marque une certaine pause (300) et, seulement après l'écoulement de cette pause (300), une impulsion de démarrage (326 ou 325) est délivrée par le circuit de commande (6) à l'autre transistor de commutation (31, 32). 7 ) Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moteur à courant continu (3) est un moteur à induit extérieur avec de préférence un rotor à aimants per- manents (4). 8 ) Circuit selon la revendication 6 ou 7, carac- térisé en ce que la dissymétrie électromagnétique est pro- duite par une forme géométrique appropriée des dents de stator (69). 9 ) Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tête (70) des dents de stator (69) présente des épaisseurs différentes (71, 72) d'une manière telle que l'entrefer magnétique (60) entre ce diamètre intérieur cy- lindrique (403) du rotor (4) et les dents de stator (69) soit inégal, l'entrefer (60) allant en décroissant ou l'épaisseur (72, 71) de la tête des dents du stator (70) allant en augmentant dans le sens du sens de rotation cor- rect souhaité (65).