Brevet FR2844932A1 — publié le 20040326

MOTEUR ET MOTOREDUCTEUR La présente invention concerne un moteur et motoréducteur comportant un tel moteur. Un problème se pose en ce qui concerne la détermination du couple en sortie d'un moteur. Il y a donc un besoin d'un moteur dont le couple de sortie peut être simplement déterminé. Pour cela l'invention propose un moteur comprenant 10 - un bobinage, - un arbre moteur entraîné en rotation par le passage d'un courant d'alimentation dans le bobinage, le courant d'alimentation variant selon le couple fourni par l'arbre moteur, - un enroulement primaire parcouru par le courant d'alimentation, - un enroulement secondaire parcouru par un courant induit par le courant d'alimentation parcourant l'enroulement primaire, le courant induit variant selon le courant d'alimentation, - l'un des enroulements étant traversé par l'arbre moteur. Selon un mode de réalisation, les enroulements primaire et secondaire sont 20 coaxiaux par rapport à l'axe de rotation de l'arbre moteur. Selon un autre mode de réalisation, l'arbre moteur est mobile en translation le long de son axe de rotation. Avantageusement, le courant induit dans l'enroulement secondaire varie selon la position de l'arbre moteur le long de l'axe de rotation. De préférence, l'enroulement primaire est traversé par l'arbre moteur. Selon un autre mode de réalisation, l'arbre moteur est mobile en translation à travers l'enroulement primaire. L'invention se rapporte aussi à un motoréducteur comprenant: - le moteur décrit précédemment, - un arbre de sortie entraîné en rotation par l'arbre moteur, la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur variant selon le couple de l'arbre de sortie. Selon un mode de réalisation, le motoréducteur comporte en outre un carter dans lequel l'arbre moteur est mobile. Selon un autre mode de réalisation, l'enroulement primaire est dans le carter autour de l'arbre moteur, entre les extrémités de l'arbre moteur. \HIIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mraO134.doc - 20/09/02 - 14 09 1/11 Selon encore un autre mode de réalisation, le motoréducteur comporte en outre un palier dans le carter guidant l'arbre moteur par une de ses extrémités, l'enroulement secondaire étant sur le palier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de 5 la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent: - figure 1, un moteur selon l'invention; - figure 2, un circuit de mesure de la tension; - figures 3 et 4, des résultats d'essais de mesure de tension; - figure 5, un diagramme représentant le courant dans un enroulement du moteur de la figure 1. L'invention se rapporte à un moteur. Le moteur comprend deux enroulements primaire et secondaire et un arbre moteur, entraîné en rotation et traversant l'un des enroulements. Un courant d'alimentation alimentant le moteur parcourt aussi 15 l'enroulement primaire; le courant d'alimentation induit un courant dans l'enroulement secondaire. Le courant d'alimentation dépendant du couple fourni par l'arbre moteur, la mesure du courant induit permet donc de connaître la vitesse de rotation de l'arbre moteur et de déterminer simplement le couple de sortie du moteur. La figure 1 montre le moteur 10. Le moteur 10 comprend un bobinage 12 et un 20 arbre moteur 14 entraîné en rotation par le passage d'un courant d'alimentation I du moteur dans le bobinage. Le courant d'alimentation varie selon le couple fourni par l'arbre moteur 14. En effet, la consommation de courant par le moteur est différente selon le couple auquel le moteur entraîne l'arbre. Le moteur 10 comprend en outre un enroulement primaire 16 parcouru par le courant d'alimentation I. Le moteur 14 25 comprend par ailleurs un enroulement secondaire 18. Le courant d'alimentation I parcourant l'enroulement primaire 16 induit un courant I2 dans l'enroulement secondaire. Ce courant induit varie selon le courant d'alimentation et est donc représentatif de la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur et du couple de sortie du moteur. Sur la figure 1, l'enroulement primaire 16 est traversé par l'arbre moteur 14; néanmoins, ce peut être l'enroulement secondaire 18 qui soit traversé par l'arbre moteur 14. Dans la suite de la description, référence sera faite au cas o l'enroulement primaire 16 est traversé par l'arbre moteur 14. De manière connue et non représentée, le moteur électrique 10 comporte un 35 stator et un rotor. Le rotor entraîne l'arbre moteur en rotation. Le rotor comporte le bobinage 12 enroulé autour de tôles empilées. Un collecteur entraîné en rotation par l'arbre moteur est relié électriquement au rotor et reçoit par l'intermédiaire de balais \\HIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mnraO134.doc - 20/09/02 - 14:09 2/11 le courant d'alimentation du moteur (non représenté). Le stator peut être un ensemble de pôles dont les lignes d'induction se referment sur le bobinage 12. L'arbre moteur 14 permet de rendre disponible un couple en sortie du moteur. Il permet d'entraîner en rotation un organe couplé au moteur. La vitesse 5 d'entraînement de l'arbre peut varier pour obtenir des couples différents en sortie du moteur. Selon le couple fourni par l'arbre, le moteur consomme plus ou moins de courant, l'augmentation du courant étant proportionnelle au couple développé par l'arbre moteur. Egalement, plus le couple de l'organe couplé au moteur est résistant, plus la consommation en courant par le moteur est importante. L'arbre moteur 14 est 10 entraîné en rotation autour d'un axe 20 de rotation. L'enroulement primaire 16 est parcouru par le courant d'alimentation I. Le courant qui parcourt l'enroulement primaire 16 est donc représentatif de la consommation de courant par le moteur et de la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur 14. L'utilisation du courant d'alimentation du moteur permet d'éviter 15 l'utilisation d'une alimentation supplémentaire. L'enroulement primaire 16 est distinct du bobinage 12. L'enroulement primaire 16 n'est pas destiné à l'alimentation du moteur 10. L'enroulement primaire 16 est par exemple monté en série avec les balais ou le bobinage 12 du moteur 10. Pour cela, l'enroulement primaire 16 est monté en amont ou en aval des balais ou du bobinage 12 par rapport à une 20 alimentation du moteur. L'enroulement primaire 16 peut être traversé par l'arbre moteur 14. L'arbre moteur 14 s'étend à travers l'enroulement primaire de sorte à former un noyau pour l'enroulement primaire 16. En parcourant les spires de l'enroulement primaire 16, le courant d'alimentation I permet la création d'un champ magnétique B et un flux 25 d'induction dont l'intensité est représentative du courant d'alimentation consommé par le moteur 10 et donc de la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur 14. L'arbre moteur 14 en tant que noyau de l'enroulement permet d'accentuer l'intensité du champ magnétique B. L'arbre moteur 14 permet de canaliser le champ magnétique B et le flux d'induction le long de l'axe de rotation 20 et de coupler les enroulements 30 16et18. L'enroulement primaire 16 peut être disposé le long de l'axe de rotation 20 du moteur. L'enroulement primaire 16 est alors coaxial par rapport à l'arbre moteur 14. L'enroulement secondaire 18 est parcouru par le courant 12 induit par le courant d'alimentation I parcourant l'enroulement primaire 16. L'enroulement 35 secondaire 18 est par exemple une bobine. Le champ magnétique B traverse l'enroulement secondaire 18 créant ainsi le courant induit I2 dans l'enroulement secondaire 18. Le champ magnétique B ayant une intensité dépendante du courant d'alimentation du moteur, le champ magnétique B induit un courant I2 dans \WIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mraOI34.doc - 20/09/02 - 14:09 - 3/ 11 l'enroulement secondaire représentatif de la consommation de courant par le moteur et donc de la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur 14. Plus le couple fourni par l'arbre moteur 14 est important, plus le courant I2 induit augmente. Le courant d'alimentation est de préférence un courant pulsé avec composante 5 continue dont l'intensité croit linéairement en fonction du couple fourni par l'arbre moteur 14. La figure 5 montre le courant parcourant l'enroulement secondaire 18. Le courant d'alimentation du moteur est transmis au collecteur par les balais. Les balais assurent un contact avec les lames du collecteur en glissant sur les lames. La commutation des balais d'une lame à l'autre du collecteur provoque le " hachage " 10 du courant d'alimentation et la création d'une composante " alternative ". L'utilisation des enroulements primaire et secondaire permet de créer un transformateur faisant disparaître la composante continue du courant au profit de la composante " alternative "; cette composante " alternative " permet de déterminer facilement le couple du moteur ainsi que sa vitesse de rotation. Ainsi le courant sur la figure 5 présente les ondulations de la composante alternative. Cette composante alternative est récupérée sur l'enroulement secondaire 18. On voit sur la figure 5 que les ondulations ont des amplitudes différentes. La variation des amplitudes permet de déterminer le couple fourni par le moteur. En effet lorsque le couple fourni par l'arbre moteur est faible, le courant consommé par 20 le moteur est lui aussi faible et l'amplitude des ondulations est ainsi faible. Par ailleurs, les ondulations peuvent avoir des fréquences différentes. La fréquence des ondulations est représentative de la fréquence de passage des balais en contact des lames du collecteur et donc de la vitesse de rotation du moteur. De préférence, les enroulements primaire 16 et secondaire 18 sont coaxiaux par 25 rapport à l'axe 20 de rotation de l'arbre moteur. Ceci permet à l'enroulement secondaire 18 de mieux recevoir le champ magnétique B créé par l'enroulement primaire 16. Ceci permet une meilleure précision dans la mesure du courant induit 12 et dans la détermination de la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur et du couple de sortie du moteur. Selon un mode de réalisation, l'enroulement primaire 16 est à une extrémité 14a de l'arbre moteur 14 et l'enroulement secondaire 18 est le long de l'axe de rotation 20 de l'arbre moteur 14, à distance de l'extrémité 14a de l'arbre. Ceci permet aux enroulements d'être à proximité l'un de l'autre de sorte à obtenir un meilleur courant induit. De préférence, les spires de l'enroulement primaire 16 ne 35 s'étendent pas au-delà de l'extrémité 14a. Ceci permet à l'arbre moteur 14 constituant le noyau de s'étendre au-delà de l'enroulement primaire 16 en direction de l'enroulement secondaire 18. Les enroulements 16 et 18 ont chacun une face en regard de l'autre déterminant un entrefer; l'extrémité 14a de l'arbre moteur 14 \\HRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mraO134. doc - 20/09/02 - 14:09 - 4/11 diminue cet entrefer en s'étendant au-delà de l'enroulement primaire 16 en direction de l'enroulement secondaire 18. L'entrefer est la distance entre l'extrémité 14a de l'arbre 14 et une face de l'enroulement secondaire 18. L'enroulement secondaire 18 peut être enroulé autour d'un noyau de sorte à 5 améliorer le flux d'induction entre les enroulements 16 et 18. Le noyau de l'enroulement secondaire 18 est de préférence coaxial avec l'arbre moteur. Ceci permet d'obtenir un meilleur courant induit dans l'enroulement secondaire 18. L'entrefer est la distance entre l'extrémité 14a de l'arbre 14 et une face de l'enroulement secondaire 18. La figure 2 montre le transformateur formés par les enroulements primaire 16 et secondaire 18. La figure 2 montre un circuit de mesure de la tension aux bornes du secondaire 18. Le circuit comprend une alimentation 21 délivrant le courant d'alimentation I. Le circuit comprend également le moteur 10 ainsi que l'enroulement primaire 16. L'enroulement primaire 16 est monté en série avec 15 l'alimentation et le moteur 10. L'enroulement primaire 16 est parcouru par le courant d'alimentation I représentatif du courant consommé par le moteur 10. L'enroulement primaire 16 peut être traversé par l'arbre moteur 14 constituant le noyau de l'enroulement primaire 16. Le circuit comprend également l'enroulement secondaire 18. L'enroulement primaire 16 induit le courant induit I2 dans l'enroulement 20 secondaire 18. D'une manière connue, il est possible de mesurer le courant 12 aux bornes de l'enroulement secondaire 18. On peut par exemple mesurer la tension U représentative du courant I consommé par le moteur et permettant de déterminer le couple de sortie de l'arbre moteur. L'arbre moteur 14 peut être mobile en translation à travers l'enroulement 25 primaire 16. Ceci permet à l'arbre moteur 14 de faire varier le champ magnétique B ainsi que le courant induit 12 dans l'enroulement secondaire. L'arbre moteur 14 est mobile en translation le long de son axe de rotation 20. Cette translation est représentée par la flèche 23 sur les figures. Ceci permet de protéger le moteur lorsque l'organe couplé au moteur 10 présente un couple résistant élevé. Des amortisseurs 30 aux extrémités 14a et 14b permettent de limiter en translation l'arbre 14 et de le protéger. A titre d'exemple d'amortisseurs, on peut placer des ressorts ou des plots en caoutchouc. La mobilité en translation de l'arbre moteur permet d'améliorer encore la détermination du couple en sortie du moteur. En effet, non seulement les variations 35 du courant d'alimentation sont représentatives du couple en sortie de l'arbre mais aussi le déplacement axial de l'arbre est représentatif du couple déployé. Plus le déplacement de l'arbre est important, plus le couple en sortie déployé est important. \\HIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02rmraO134 doc - 20/09/02 - 14:09 5/11 Ainsi, l'arbre moteur 14 pouvant être un noyau pour l'enroulement primaire 16, le déplacement de l'arbre moteur 14 permet de faire varier le champ magnétique B. La variation de la position de l'arbre 14, et en particulier de son extrémité 14a, permet de modifier l'inductance mutuelle des enroulements primaire 16 et secondaire 5 18. La variation de la position de l'arbre 14 combinée avec la variation du courant d'alimentation I permet d'obtenir une variation du courant induit encore plus sensible. Cette variation plus sensible du courant induit I2 permet de déterminer encore plus précisément le couple disponible en sortie du moteur. Cette variation plus sensible du courant 12 permet d'obtenir des signaux exploitables par une 10 électronique simple et peu onéreuse. La prise en compte du déplacement de l'arbre et de la variation de la consommation de courant permet d'obtenir des variations de signaux plus significatives, et en particulier, d'obtenir des signaux qui ne sont pas bruités. Les signaux exploités sont par exemple la mesure de la tension et la fréquence 15 aux bornes de l'enroulement secondaire 18 en fonction de l'écrasement de l'entrefer et de la variation du courant d'alimentation. La translation de l'arbre moteur 14 le long de l'axe de rotation 20 permet de faire varier l'entrefer entre les enroulements primaire 16 et secondaire 18. La variation de l'entrefer contribue à modifier l'inductance mutuelle L'invention se rapporte aussi à un motoréducteur 22. Le motoréducteur est représenté sur la figure 1. Il comprend le moteur 10 tel que décrit précédemment avec ses avantages ainsi qu'un un arbre de sortie 24 entraîné en rotation par l'arbre moteur, la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur variant selon le couple de l'arbre de sortie 24. Le motoréducteur est un exemple de moteur entraînant un organe 25 accouplé au moteur. L'organe est accouplé à l'arbre de sortie 24. Le motoréducteur 22 permet de déterminer simplement le couple de l'arbre de sortie en mesurant le courant induit dans l'enroulement secondaire 18. Le motoréducteur 22 comprend par exemple un réducteur 29 pour l'entraînement de l'arbre de sortie 24. Le réducteur 29 peut être une roue dentée sur 30 l'arbre moteur 14 entraînant une roue dentée portant l'arbre de sortie 24. Alternativement, le réducteur 29 est un entraînement roue 26 et vis sans fin 28. Selon la figure 1, l'arbre moteur 14 porte la vis sans fin 28 et la roue dentée 26 porte l'arbre de sortie 24. De préférence, l'enroulement primaire 16 est à une extrémité 14a de l'arbre 35 moteur 14. Ceci permet à l'enroulement secondaire 18 d'être séparé de l'enroulement primaire 16 par un entrefer et d'être parcouru par un courant induit par l'enroulement primaire 16. Selon un mode de réalisation, l'enroulement secondaire 18 peut entourer \\HIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mraO134.doc - 20/09/02 - 14:09 6/11 un noyau permettant d'améliorer le flux d'induction. Le noyau de l'enroulement secondaire 18 peut être fixe et coaxial à l'arbre moteur 14. Le motoréducteur peut comprendre en outre un carter 30 dans lequel sont le moteur, l'arbre moteur, le réducteur et les enroulements. L'enroulement primaire 16 5 peut être dans le carter enroulé autour de l'arbre moteur 14 à une de ses extrémités 14a. L'enroulement secondaire 18 est aussi dans le carter enroulé de manière coaxiale par rapport à l'enroulement primaire 16. Avantageusement, l'arbre moteur est guidé en rotation à ses extrémités par des paliers, l'enroulement secondaire 18 étant par exemple monté sur un de ces paliers. Sur la figure 2, le circuit comprend en plus l'arbre de sortie 24; selon le couple résistant de l'organe accouplé à l'arbre de sortie 24, le courant d'alimentation I varie faisant varier la tension U mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire 18. Avantageusement, l'arbre moteur 14 est mobile dans le carter 30. Ceci permet de protéger le motoréducteur 22 lorsque l'organe couplé au moteur 10 présente un 15 couple résistant élevé. Ceci permet d'améliorer encore la détermination du couple en sortie du motoréducteur en prenant non seulement en compte la variation du courant d'alimentation du moteur mais aussi le déplacement axial de l'arbre représentatif du couple déployé par l'arbre moteur. Des essais ont été réalisés sur le motoréducteur 22 et dont les résultats sont 20 représentés sur les figures 3 et 4. La figure 3 montre l'évolution de la tension U aux bornes de l'enroulement secondaire 18 avec un entrefer constant. La figure 4 montre l'évolution de la tension U aux bornes de l'enroulement secondaire 18 en fonction de la variation de l'entrefer et de l'intensité du courant d'alimentation I. Les enroulements primaire et secondaire sont respectivement montés sur l'arbre moteur 25 et un arbre induit un noyau, les noyaux étant coaxiaux. Pour cela, le montage est le suivant: - enroulement primaire: 7 spires avec un fil de 0,7 mm de diamètre isolé; - enroulement secondaire: 110 spires avec un fil de 0,425 mm de diamètre; - tension d'alimentation: 13, 5 V; - arbres moteur et d'induit en materiau magnétique, par ex:acier 45MF6; - moteur de type à courant continu; La figure 3 montre en abscisses le couple de sortie du motoréducteur et en ordonnées la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 18. L'entrefer est constant et fixé à 2 mm. La figure 3 montre que la tension aux bornes de 35 l'enroulement secondaire 18 croit linéairement en fonction du couple développé sur l'arbre de sortie 24; la mesure de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 18 permet donc de déterminer le couple de sortie du motoréducteur. \\HIRSCH6\BRPEVTS\Brevets\19300\19395_02mraOI34-doc - 20/09/02 - 14:09 7/11 La figure 4 montre en abscisse une variable x représentant deux paramètres simultanés qui sont l'accroissement de l'intensité du courant I de 1 A et la diminution de l'entrefer de 1 mm; en ordonnées est représentée la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 18. En mesurant la tension U aux bornes de 5 l'enroulement secondaire 18, on peut déterminer l'augmentation du courant et le déplacement de l'arbre moteur, représentatifs de la variation du couple de sortie du motoréducteur. On voit que la variation de l'amplitude de la tension U est plus significative que sur la figure 3, ce qui permet de ne pas avoir un signal bruité donc plus facilement exploitable. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits à titre d'exemple. Ainsi, il est envisageable de mesurer le courant induit uniquement en le faisant varier par déplacement de l'arbre moteur. \\HIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mraO134.doc - 20109/02 - 14 09 8111 REVENDICATIONS 1. Un moteur (10) comprenant - un bobinage (12), - un arbre moteur (14) entraîné en rotation par le passage d'un courant d'alimentation dans le bobinage (12), le courant d'alimentation variant selon le couple fourni par l'arbre moteur (14), - un enroulement primaire (16) parcouru par le courant d'alimentation, - un enroulement secondaire (18) parcouru par un courant induit par le courant 10 d'alimentation parcourant l'enroulement primaire (16), le courant induit variant selon le courant d'alimentation, l'un des enroulements (16, 18) étant traversé par l'arbre moteur. 2. Le moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements primaire (16) et secondaire (18) sont coaxiaux par rapport à l'axe (20) de rotation 15 de l'arbre moteur (14). 3. Le moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'arbre moteur est mobile en translation le long de son axe de rotation. 4. Le moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant induit dans l'enroulement secondaire varie selon la position de l'arbre moteur le long de 20 l'axe de rotation. 5. Le moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement primaire (16) est traversé par l'arbre moteur (14). 6. Le moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'arbre moteur (14) est mobile en translation à travers l'enroulement primaire. 7. Un motoréducteur comprenant: - le moteur selon l'une des revendications précédentes, - un arbre de sortie entraîné en rotation par l'arbre moteur, la vitesse d'entraînement de l'arbre moteur variant selon le couple de l'arbre de sortie. 8. Le motoréducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en 30 outre un carter dans lequel l'arbre moteur est mobile. \\HIRSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02mraOI34.doc - 20/09/02 - 14:09 911 9. Le motoréducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement primaire est dans le carter autour de l'arbre moteur, entre les extrémités de l'arbre moteur. 10. Le motoréducteur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un palier dans le carter guidant l'arbre moteur par une de ses extrémités, l'enroulement secondaire étant sur le palier. \\H1RSCH6\BREVETS\Brevets\19300\19395_02rraO134.doc - 20109/02- 14:0910/11