Brevet FR2845838A1 — publié le 20040416

i L'invention concerne un actionneur électrique destiné à la manoeuvre d'un élément de protection solaire, de fermeture ou d'occultation 5 comprenant, dans une même enveloppe, un moteur à courant continu, une carte de commande de l'alimentation du moteur et un convertisseur de tension, la carte de commande comportant un récepteur d'ondes radioélectriques. Ces actionneurs sont souvent contenus dans une enveloppe cylindrique lorsqu'ils commandent le déplacement de volets roulants et dans une enveloppe parallélépipédique lorsqu'ils commandent le déplacement stores vénitiens. Sauf applications très particulières nécessitant une alimentation autonome de type batterie d'accumulateurs et/ou panneaux solaires, ces actionneurs sont alimentés à partir du secteur alternatif dit " basse tension (BT) " (110 à 230 V, 50 ou 60 périodes selon les pays) et les moteurs électriques utilisés dans ces actionneurs sont en général de type 20 asynchrone (moteur à induction) monophasé à condensateur permanent. Néanmoins, il s'avère intéressant de remplacer de tels moteurs à courant alternatif par des moteurs à courant continu à aimants permanents, conçus pour fonctionner sous une très basse tension (TBT), c'est à dire 25 le plus souvent inférieure à 48 V. De tels moteurs sont en effet produits en très grandes quantités, notamment pour les applications automobiles, et leur cot de revient est donc faible. De plus, le moteur à courant continu est bien connu pour présenter une 30 grande souplesse d'utilisation. En effet, il permet de contrôler la vitesse de rotation par la tension d'alimentation de l'induit et de détecter des MS\2.S649. 12FR.443.dpt obstacles en analysant le courant d'induit qui est l'image du couple moteur. Cependant, la conversion d'une source électrique basse tension 5 alternative en une source très basse tension continue pose des problèmes. En effet, les dimensions des composants nécessaires conduisent à séparer physiquement le convertisseur d'alimentation de l'actionneur. Cette séparation n'est pas pratique: elle impose d'aménager un deuxième emplacement destiné à recevoir le boîtier 10 d'alimentation et surtout de prévoir une ligne de raccordement en câble de grosse section permettant l'alimentation du moteur à courant continu. Cette ligne de raccordement présente en outre l'inconvénient de rayonner les parasites engendrés par les commutations électriques du collecteur du moteur. Du brevet FR 2 692 418, on connaît une solution à ce type de problème. Elle propose, comme d'autres documents de l'état de la technique, que dans chaque caisson de store vénitien soient logés simultanément le moteur à courant continu très basse tension, une batterie et un dispositif 20 convertisseur formé par un transformateur et par un redresseur (Figure 3 de ce brevet). La batterie sert à accumuler l'énergie. De ce fait, le dispositif convertisseur est simplement dimensionné pour la recharge lente de la batterie, ce qui permet de réduire ses dimensions. Rien n'incite dans ce mode de réalisation à grouper tous ces éléments dans 25 l'actionneur: ils sont clairement représentés de manière physiquement indépendante au sein du caisson. Au contraire, pour des questions de durée de vie ou de maintenance de la batterie, on a intérêt à prévoir son remplacement de manière aisée. MS\2.S649. 12FR.443.dpt Une telle solution présente un inconvénient manifeste: il limite le nombre de manoeuvres à la capacité de la batterie, laquelle ne peut se recharger que lentement. De la demande EP 0 852 281, on connaît un actionneur tubulaire comportant un réducteur, un moteur à courant continu et une carte électronique de commande jouant également le rôle d'alimentation à partir du secteur. Il est précisé que cette carte permet en effet de remplacer un transformateur, dont l'encombrement est incompatible avec 10 le montage dans le tube. La solution préconisée dans ce document consiste à remplacer de tels éléments par une unité électronique de puissance comprenant une bobine montée sur un noyau de ferrite, une diode, un pont redresseur et un condensateur. Il est également précisé que la commande à distance de l'actionneur peut être réalisée par des moyens connus tels qu'une liaison par rayons infra-rouges ou une liaison par ondes radioélectriques. Le problème posé par cette disposition réside dans les contraintes de 20 miniaturisation évoquée dans l'art antérieur, mais aussi dans les relations de cohabitation entre les divers éléments. En effet, ceux-ci dissipent et reçoivent de l'énergie thermique, alors que leurs propres performances sont affectées par la température, émettent et reçoivent des rayonnements électromagnétiques, alors que la performance de l'un 25 d'entre eux est directement affectée par le champ électromagnétique et, enfin, émettent et reçoivent des parasites conduits sur leur ligne d'alimentation. Le but de l'invention est d'améliorer les actionneurs de l'art antérieur et 30 de résoudre les inconvénients précités. En particulier, l'invention se propose de regrouper dans un encombrement donné, un moteur à MS\2.S649. 12FR.443.dpt courant continu, une carte de commande de l'alimentation du moteur et un convertisseur de tension, la carte de commande comportant un récepteur d'ondes radioélectriques. L'actionneur électrique selon l'invention est caractérisé en ce que le 5 convertisseur de tension comprend au moins un interrupteur piloté en fréquence. Le convertisseur de tension peut également comprendre un transformateur de tension. Partant de l'art antérieur ne nécessitant pas de batterie de stockage 10 d'énergie électrique, il a été constaté dans le cadre des travaux menant à la présente invention que la miniaturisation d'un convertisseur ayant une puissance suffisante pour permettre l'alimentation simultanée d'un récepteur d'ondes radioélectriques, d'éléments logiques de commande et surtout du moteur électrique à courant continu, impose la présence d'au 15 moins un interrupteur commandé, à une fréquence prédéterminée. Cet élément étant essentiel à l'obtention de performances thermiques satisfaisantes. Le fait d'utiliser un interrupteur commandé permet également l'usage d'un transformateur de dimensions réduites. Pour des contraintes d'encombrement données et pour un actionneur 20 muni d'un récepteur d'ondes radioélectriques, il a été également constaté qu'il existe un compromis dans le choix de la fréquence de commande de l'interrupteur pour minimiser le cot global de la solution. La fréquence de fonctionnement du récepteur d'ondes radioélectriques est de préférence supérieure à 4500 fois la fréquence de pilotage de 25 l'interrupteur du convertisseur. MS\2.S649. 12FR.443.dpt La fréquence de fonctionnement du récepteur d'ondes radioélectriques est de préférence inférieure à 45000 fois la fréquence de pilotage de l'interrupteur du convertisseur. Dans une forme de réalisation, la fréquence de pilotage de l'interrupteur 5 est choisie égale à une fois ou deux fois la fréquence du secteur alimentant l'actionneur en énergie électrique. Le convertisseur et la carte de commande sont, de préférence, montés sur un même circuit imprimé. Le récepteur radioélectrique de la carte de commande peut être muni 10 d'une antenne disposée à l'intérieur de l'enveloppe de l'actionneur. Le dessin annexé, représente à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'actionneur selon l'invention. La figure 1 est une vue schématique d'un actionneur selon l'invention. La figure 2 est un graphique représentant, en ordonnées, les cots de réalisation de l'actionneur selon l'invention en fonction du rapport de la fréquence de pilotage de l'interrupteur dans le convertisseur et de la 20 fréquence de fonctionnement du récepteur d'ondes radioélectriques, en abscisses. Dans des conditions représentatives de puissance et d'encombrement, la fréquence de transmission par ondes radioélectriques doit être 25 supérieure à 4500 fois la fréquence de commande de l'interrupteur. MS\2.S649. 12FR.443.dpt Le choix d'une fréquence de commande de l'interrupteur égale à deux fois la fréquence du secteur, et synchronisée sur celui-ci, permet d'obtenir le meilleur compromis performances / cot. Un tel choix est compatible avec l'usage d'un transformateur classique, à tôles et sans noyau en ferrite, ce transformateur étant notablement plus petit que celui qui serait nécessaire dans le cas d'une alimentation traditionnelle par transformateur et redresseur. Un actionneur 10 représenté à la figure 1 prélève sur le secteur électrique alternatif une puissance Pl pour la convertir en puissance mécanique P2 sur un arbre de sortie. La puissance mécanique P2 en sortie est sensiblement inférieure à la puissance électrique PI prélevée à l'entrée, du fait des pertes au sein de l'actionneur. 15 Un convertisseur alternatif/continu 3 permet la conversion désirée d'une basse tension alternative en une très basse tension continue. Bien entendu, sa tension de sortie ne doit pas nécessairement être rigoureusement constante et des fluctuations importantes liées à la 20 fréquence du secteur peuvent même être admises (par exemple un taux d'ondulation de 10 à 30 %). Pour des questions de bruit du moteur, on a néanmoins intérêt à réduire cette ondulation. Cette tension est transmise à un moteur à courant continu 5 par 25 l'intermédiaire d'une carte de commande 4 comportant notamment un récepteur d'ondes radioélectriques 41. Comme dans l'art antérieur cité, le récepteur d'ondes radioélectriques capte les signaux de commande émis par une commande à distance, non représentée mais largement connue de l'homme du métier. Le récepteur 41 est accordé pour fonctionner à 30 une fréquence notée F0. Son antenne peut être extérieure ou intérieure à l'enveloppe 7 et/ou bénéficier d'un couplage avec la ligne d'alimentation. MS\2.S649. 12FR.443.dpt Bien entendu, l'élément 41 peut aussi être un émetteur-récepteur permettant l'envoi de signaux d'accusé de réception ou de bonne exécution d'ordre ou encore d'anomalie de fonctionnement. La carte de commande 4 contient également une unité logique de traitement 42, par exemple un microcontrôleur, de manière à commander l'alimentation électrique du moteur en fonction des ordres reçus. Un capteur de courant moteur, non représenté, permet par exemple 10 d'analyser le couple moteur. Il peut être associé à un capteur de vitesse ou de position lié au moteur et/ou à l'arbre de sortie du réducteur. Ces éléments sont connus de l'homme du métier. Avantageusement, la carte de commande 4 et le convertisseur 3 sont 15 montés sur un même circuit imprimé, comme décrit dans l'art antérieur. L'alimentation de la carte de contrôle est normalement prélevée sur la tension de sortie du convertisseur, mais il peut aussi être avantageux d'avoir recours à un circuit d'alimentation séparé, au moins pour l'alimentation du récepteur d'ondes radioélectriques lorsque celui-ci est à 20 l'état de " veille ". Le moteur à courant continu 5 est alimenté à partir du convertisseur 3 sous contrôle de la carte 4. C'est la consommation de celui-ci qui fixe principalement le dimensionnement du convertisseur. Le réducteur qui le 25 suit dans la chaîne cinématique comprend généralement au moins deux étages de réduction. L'ensemble des éléments précédents se trouve mécaniquement inséré dans une enveloppe tubulaire ou parallélépipédique 7 en acier, en 30 matière plastique ou en matériau composite. Les ouvertures nécessaires au passage du câble d'alimentation électrique et de l'arbre de sortie sont MS\2.S649. 12FR.443.dpt munis de moyens d'étanchéité permettant d'empêcher les poussières et les projections d'eau d'entrer dans l'enveloppe. Cet ensemble 10 est lui-même inséré dans un élément de plus grande 5 longueur tel que le tube d'enroulement d'un store ou d'un volet, ou encore le caisson d'un store vénitien. Cet élément est généralement en acier. Pour les puissances considérées (plusieurs dizaines de watts), 10 l'encombrement souhaité est de l'ordre d'une vingtaine de centimètres cubes se présentant sous forme de cylindre ayant typiquement un diamètre compris entre 20 et 40 mm. Dans ces conditions une alimentation ne comprenant que des éléments passifs ou unidirectionnels conduit à des échauffements intolérables, sauf à limiter considérablement 15 les durées de manoeuvre. Elle sera donc avantageusement remplacée par une alimentation à interrupteur, piloté à une fréquence Fl. Un transformateur de faibles dimensions peut être adjoint au montage convertisseur. Dans d'autres domaines, et également dans le domaine des actionneurs pour protections solaires, de telles alimentations sont connues de l'homme du métier, avec différentes topologies. Par exemple, la demanderesse commercialise une alimentation à découpage permettant d'alimenter, à partir du secteur, une pluralité d'actionneurs tubulaires 25 fonctionnant sous une tension continue de 24 Volts. Il est notamment connu que plus la fréquence Fl est élevée, plus le volume de l'alimentation est faible pour une puissance donnée. Des fréquences de 80 KHz, voire supérieures à 100 KHz sont par conséquent 30 couramment utilisées. MS\2.S649. 12FR.443.dpt Les harmoniques induits par les commutations de l'interrupteur (ou des interrupteurs) sont incompatibles avec la présence d'un récepteur d'ondes radioélectriques 41 au sein de l'actionneur et cet effet augmente avec le rapport Fl/FO. Etant enfermé dans un tube ou un caisson métallique faisant écran et n'étant pas relié à une antenne extérieure de grandes dimensions, le récepteur utilisé doit avoir une très forte sensibilité. Il est donc très vulnérable aux rayonnements parasites. Lorsqu'on est confronté à un problème de cohabitation entre une alimentation à interrupteur piloté en fréquence et entre un récepteur d'ondes radioélectriques, on le résout soit par des techniques de blindage et d'espacement des composants, soit par des techniques de 15 filtrage, soit par le recours à un type particulier de mode de commutation permettant un fonctionnement en mode résonant ou quasi- résonant de l'alimentation. Le plus souvent, on utilise une combinaison de ces méthodes. On trouve dans les brevets US 5,642,274, US 5,528,481 ou US 4,686,614 des exemples de ces techniques. Il est à noter que, dans 20 le cas d'un téléviseur par exemple, il existe suffisamment d'espace pour éloigner les ensembles critiques et minimiser ainsi les couplages. Sauf à utiliser des éléments supplémentaires et coteux de blindage et de filtrage, il paraît exclu a priori pour l'homme du métier de loger à 25 proximité immédiate, et a fortiori sur un même circuit imprimé, une alimentation de puissance à interrupteur piloté en fréquence et un récepteur d'ondes radioélectriques de grande sensibilité. L'invention montre cependant que cela est possible à un cot 30 économiquement supportable et même en se passant d'une alimentation MS\2. S649. 12FR.443.dpt fonctionnant en mode résonant. Cette possibilité repose sur le respect de conditions particulières de fréquences. La figure 2 représente schématiquement un diagramme asymptotique 5 des cots, en échelle logarithmique, en fonction du rapport des fréquences F1/FO, pour une puissance de moteur donnée. Les cots sont exprimés en octaves (doublement pour chaque intervalle) et les rapports des fréquences en décades. La courbe 22 représente les cots fonctionnels d'ensemble, c'est à dire des cots nécessaires pour réaliser le convertisseur 3 et la carte de commande 4 munie du récepteur 41 dans un encombrement donné. Dans cet exemple, la section d'encombrement est fixée et la longueur est libre. Compte tenu des réglementations, la fréquence des ondes radioélectriques dans ce type d'application peut se situer à environ 100 KHz, et/ou sur les fréquences utilisées pour les communications de proximité de type RFID ou peut encore être supérieures à un MHz (par 20 exemple, 27, 433, 868 ou 2400 MHz). Sauf à bénéficier d'effets de production de masse liés à des applications particulières, les cots nécessaire à la réalisation du récepteur d'ondes radioélectriques se révèlent assez peu affectés par la fréquence. Par exemple, la détection AM de fréquences type 100 KHz est plus facile que la détection FM à 433 25 MHz. La dimension plus importante des composants dans le premier cas est compensée par leur plus petit nombre. En première approximation, le cot des composants fonctionnels d'ensemble dépend donc beaucoup plus de la fréquence Fl du 30 convertisseur que de la fréquence F0 du récepteur. MS\2.S649. 12FR.443.dpt il En effet, sauf dans le cas particulier o la fréquence Fl de commutation de l'alimentation est égale à la fréquence du secteur ou au double de celle-ci, l'augmentation de la fréquence Fl permet de miniaturiser le transformateur de l'alimentation et le condensateur de stockage limitant 5 l'ondulation de la tension de sortie. Cette miniaturisation se traduit certes par le recours à des composants de cot légèrement croissant (noyau en ferrite des transformateurs, transistor de commutation servant d'interrupteur), mais ce cot est largement compensé par la diminution du volume d'encombrement et l'amélioration des performances 10 thermiques qui sont directement liées au rendement. Le cot fonctionnel d'ensemble (représenté par la courbe 22) décroît donc lorsque la fréquence F1 augmente et donc lorsque le rapport Fl/FO augmente. Par contre, l'usage d'une alimentation à interrupteur piloté à la fréquence 15 du secteur ou à une fréquence basse multiple de la fréquence du secteur se traduit par une chute significative du cot de réalisation du convertisseur et donc du cot fonctionnel d'ensemble, puisqu'il permet l'usage d'un transformateur à noyau composé de tôles classiques et non composé de ferrite. Une telle alimentation est décrite par exemple dans 20 le brevet US 5,818,708. Cette chute du cot est d'autant plus importante que, pour les basses fréquences, un transformateur à noyau en ferrite présente des dimensions importantes. Le cot du filtrage est représenté par la courbe 21. Par filtrage, on entend 25 ici tout élément de blindage ou d'atténuation permettant à l'ensemble de rester fonctionnel, une fois les éléments disposés à proximité immédiate les uns des autres dans l'enveloppe 7 et de respecter les normes. Le filtrage nécessité par le moteur est également pris en compte. Le filtrage s'applique aux modes de perturbations rayonnées et conduites. 30 MS\2.S649. 12FR.443.dpt Sauf pour les faibles valeurs de la fréquence de commutation de l'alimentation Fl, cette courbe est croissante avec le rapport des fréquences Fl/FO: plus ce rapport est élevé, plus le convertisseur pollue le récepteur. Plus le rapport augmente, plus ce cot de filtrage est d à la cohabitation des éléments. Pour de faibles valeurs de Fl notamment égales ou multiples de la fréquence du secteur, on se trouve en présence d'un mode de fonctionnement du convertisseur impactant fortement les perturbations 10 en mode conduit. Il en résulte un cot de filtrage supplémentaire, dicté par les contraintes réglementaires. Le cot global est représenté par la courbe 23, somme des cots fonctionnels et des cots de filtrage. On remarque qu'il existe deux zones de cot d'ensemble minimum: l'une Zl correspondant à une très faible valeur du rapport F1/F0, l'autre Z2 située de part et d'autre d'une valeur approximativement égale à 7,10-5. La zone Zl correspond au cas particulier déjà mentionné d'une fréquence de pilotage de l'interrupteur égale ou double de celle du réseau alternatif d'alimentation. Dans la deuxième zone Z2, on s'efforcera donc de satisfaire la condition 25 optimale sur le rapport FI/F0. A titre d'exemple, une fréquence de pilotage égale à 30 KHz correspond à l'optimum pour une fréquence de 429 MHz. Il est cependant clair que cet optimum autorise une légère dégradation 30 sur le cot, pour privilégier un moindre encombrement. Une étendue convenable correspond à une décade centrée sur cette valeur. MS\2.S649. 12FR.443.dpt Le rapport choisi peut donc varier dans une plage comprise entre 7/10 10-5 (environ 2.2 10-5) et 7J10 10-5 (environ 2.2 104) tout en respectant l'enseignement de l'invention relatif à la zone Z2. Exprimées de manière 5 inverse, les limites de ce rapport consistent d'une part à situer la fréquence F0 comme étant au moins supérieure à 4500 fois la fréquence Fl; et, d'autre part, à prendre une valeur F0 inférieure à 45000 fois la fréquence Fl. Si on respecte les enseignements de l'invention, il n'est par conséquent pas incompatible d'utiliser un convertisseur à interrupteur piloté en fréquence et un récepteur d'ondes radioélectriques dans un espace confiné impliquant une forte interaction des éléments, ni même d'implanter ces fonctions sur une même carte de circuit imprimé. De plus, l'invention permet alors, à moindre cot, l'usage d'un récepteur présentant une grande sensibilité et dont l'antenne est disposée à l'intérieur de l'enveloppe de l'actionneur. MS\2.S649. 1 2FR.443.dpt Revendications: 1. Actionneur électrique (10) alimenté par le secteur et destiné à la manoeuvre d'un élément de protection solaire, de fermeture ou d'occultation comprenant, dans une même enveloppe (7), un 5 moteur à courant continu (5), une carte de commande (4) de l'alimentation du moteur (5) et un convertisseur de tension (3), la carte de commande (4) comportant un récepteur d'ondes radioélectriques (41), caractérisé en ce que le convertisseur de tension (3) comprend au moins un interrupteur piloté en fréquence. 2. Actionneur électrique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur de tension (3) comprend un transformateur de tension. 3. Actionneur électrique (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence (F0) du récepteur d'ondes radioélectriques 15 (41) est supérieure à 4500 fois la fréquence (F1) de pilotage de l'interrupteur du convertisseur (3). 4. Actionneur électrique (10) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la fréquence (F0) du récepteur d'ondes radioélectriques (41) est inférieure à 45000 fois la fréquence (Fl) de 20 pilotage de l'interrupteur du convertisseur (3). 5. Actionneur électrique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence (Fl) de pilotage de l'interrupteur est égale à une fois ou deux fois la fréquence du secteur alimentant l'actionneur (10) en énergie électrique. MS\2.S649. 1 2FR.443.dpt 6. Actionneur électrique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur (3) et la carte de commande (4) sont montés sur un même circuit imprimé. 7. Actionneur électrique (10) selon l'une des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le récepteur radioélectrique (41) de la carte de commande est muni d'une antenne disposée à l'intérieur de l'enveloppe (7) de l'actionneur. MS\2.S649.12FR.443.dpt