Brevet FR2852464A1 — publié le 20040917

Dispositif de commutation, palier à roulement et moteur électrique utilisant un tel dispositif. L'invention relève du domaine de l'aide à la commutation. L'invention concerne un dispositif destiné à assurer la commutation des bobinages du stator d'un moteur électrique, en particulier d'un moteur sans balai, également appelé " brushless ". On rappellera ici qu'un moteur sans balai conventionnel 10 comporte un stator avec en général trois phases et trois fois n bobinages suivant le nombre n de bobinages par phase, un rotor pourvu d'aimants permanents ou d'une cage en tôle avec un nombre de pôles pouvant aller de 4 à 24 et un dispositif assurant la commutation du courant dans les bobinages du stator. Le dispositif de commutation peut utiliser des capteurs, tels que des sondes à effet Hall, qui assurent la détection de la position angulaire des pôles du rotor par rapport aux bobinages du stator. Sur la base des informations délivrées par ces capteurs, les phases des bobinages du stator sont commutées par le système électronique de 20 pilotage. Chaque signal issu d'un capteur comporte une succession d'impulsions qui doivent être indexées sur la position angulaire du rotor pour assurer la commutation à un angle bien précis. La qualité du pilotage du moteur dépend directement du bon choix des angles auxquels doivent se faire ces commutations. Les capteurs de position 25 peuvent être intégrés au stator ou sur une pièce fixe solidaire de ce dernier. On cherche de plus en plus à utiliser des roulements instrumentés pour assurer cette fonction de commutation. On remplace alors l'un des deux roulements conventionnels servant à monter à rotation le rotor par rapport au stator par un roulement instrumenté de commutation. Un roulement instrumenté comprend en général une roue codeuse solidaire de la bague intérieure tournante montée sur l'arbre 5 du rotor et un bloc capteur. La roue codeuse se présente sous la forme d'un anneau multipolaire. Un tel dispositif doit être indexé mécaniquement par rapport au stator et au rotor lors du montage du roulement instrumenté dans le moteur sans balai pour pouvoir assurer correctement sa fonction de 10 commutation lors du fonctionnement ultérieur du moteur. Il faut en effet que l'anneau codeur solidaire de la bague tournante du roulement soit indexé angulairement par rapport aux pôles du stator et que les capteurs solidaires de la bague non tournante du roulement par l'intermédiaire du corps de capteur soient indexés angulairement par 15 rapport aux bobinages du stator. Cette condition est nécessaire pour connaître la position angulaire des pôles du rotor par rapport aux pôles du stator. Le roulement instrumenté doit donc comporter des éléments permettant de réaliser ces indexages lors du montage dudit roulement instrumenté dans le moteur. Ces éléments peuvent être, par exemple, 20 des repères visuels ou mécaniques réalisés sur la bague intérieure et l'arbre du rotor pour l'indexage angulaire de l'anneau codeur par rapport au rotor ou réalisés sur la bague extérieure o le corps de capteur est le carter du stator pour l'indexage angulaire des capteurs par rapport aux bobinages du stator. On peut également prévoir des 25 systèmes de pré-indexation des roulements instrumentés, comme cela est décrit dans le document FR-A-2 804 479. Quand le moteur est en fonctionnement, des signaux sont envoyés au logiciel de pilotage du moteur, ce qui déclenche les commutations des bobines du stator en fonction de la position angulaire du rotor. De tels dispositifs présentent toutefois certains inconvénients. D'une part, l'indexage reste une opération délicate qui nécessite des dispositifs particuliers. D'autre part, les angles de commutation, pour des raisons de tolérance mécanique de réalisation 5 des différents éléments, ne sont pas forcément les mêmes d'une phase à une autre et d'un moteur à l'autre. Aux tolérances dues à la précision de l'indexage, vient s'ajouter un empilage des tolérances dû à la chaîne d'éléments mécaniques qui existe, premièrement entre le roulement et le stator, deuxièmement entre le roulement et le rotor. 10 Ceci est à l'origine de bruits parasites de fonctionnement et de pertes de rendement du moteur. La présente invention vise à remédier à ces problèmes. La présente invention propose un dispositif de commutation particulièrement précis. Le dispositif de commutation, selon un aspect de l'invention, est destiné en particulier à la commutation des bobinages du stator d'un moteur sans balai. Le dispositif comprend un système de codage absolu de la position angulaire d'un élément tournant apte à être monté sur un rotor de moteur et un circuit de traitement du signal associé au 20 système de codage absolu et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur lorsque ledit rotor atteint la position angulaire de commutation correspondante. Le système de codage absolu permet un repérage extrêmement 25 précis de la position angulaire de commutation du rotor. Le circuit de traitement du signal associé ou non à un roulement instrumenté, permet d'envoyer en sortie du dispositif une quantité d'informations relativement faible, en tout cas largement inférieure à celle issue du système de codage absolu. Selon différents modes de réalisation de l'invention, le système de codage absolu peut être magnétique, inductif, capacitif, ou encore optique. Dans un mode de réalisation de l'invention, le roulement 5 comprend un corps de support du système de codage absolu et du circuit de traitement du signal. Le circuit de traitement du signal est avantageusement disposé à proximité du système de codage absolu. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une mémoire programmable associée au circuit de traitement 10 du signal. Dans un mode de réalisation de l'invention, la mémoire programmable et le circuit de traitement du signal sont solidaires d'une carte logée dans un corps de support du système de codage absolu. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la mémoire programmable et/ou le circuit de traitement du signal sont logés hors d'un corps de support du système de codage absolu. La mémoire programmable peut par exemple être logée dans une fiche de connexion. L'invention propose également un palier à roulement comprenant une bague tournante, une bague non tournante, au moins une rangée d'éléments roulants et un dispositif de commutation comprenant un système de codage absolu de la position angulaire de la bague tournante apte à être montée sur un rotor de moteur et un circuit 25 de traitement du signal associé au système de codage absolu et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur lorsque le rotor atteint une position angulaire de commutation correspondante. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système de codage absolu comporte un anneau codeur solidaire de la bague tournante et des éléments capteurs solidaires de la bague non tournante. L'invention propose également un moteur électrique sans balai, comprenant un rotor, un stator et un dispositif de commutation comprenant un système de codage absolu de la position angulaire d'une bague tournante de roulement montée sur le rotor du moteur et un circuit de traitement du signal associé au système de codage absolu 10 et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur lorsque le rotor atteint une position angulaire de commutation. L'invention propose encore un procédé d'initialisation d'un circuit de traitement du signal de roulement instrumenté pour la 15 commutation d'un moteur électrique sans balai, comprenant les étapes suivantes: - montage du roulement instrumenté dans le moteur, - mesure des angles optimaux de commutation du moteur, - programmation des angles de commutation dans le circuit de 20 traitement du signal associé au roulement. On peut ainsi réaliser un réglage de commutation adapté à chaque moteur en détectant les angles réels optimaux de commutation et en les programmant dans le circuit de traitement. On parvient ainsi à augmenter le rendement du moteur électrique, ce qui se traduit par une 25 réduction des bruits de fonctionnement, une réduction de la consommation d'énergie électrique, une réduction de la température interne du moteur électrique et un accroissement de sa durée de fonctionnement. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description 30 détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: -les figures 1 et 2 montrent des exemples de programmation des angles de commutation pour un moteur sans balai à trois phases; -la figure 3 est une vue schématique d'un moteur électrique selon un aspect de l'invention; -la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un roulement instrumenté selon un aspect de l'invention; et -la figure 5 est une variante de la figure 4. L'invention associe un système de codage angulaire absolu permettant de générer un signal représentatif de la position angulaire 10 absolue du codeur et un circuit de traitement du signal de sortie du système de codage angulaire absolu disposé à proximité et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur électrique lorsque le rotor du moteur électrique atteint une position angulaire de commutation correspondante. Un 15 dispositif de codeur absolu est décrit par exemple par le document EP-A-1 092 955 selon le principe de la détection par une pluralité de cellules à effet Hall de modification des conditions magnétiques. Le dispositif de commutation suivant l'invention envoie donc des signaux déphasés, exploitables par le système de pilotage du 20 moteur et en procurant de nombreux avantages par rapport aux dispositifs conventionnels. La commutation peut être effectuée de façon optimale suivant des angles correspondant aux caractéristiques réelles du moteur, qui sont alors enregistrés dans le circuit de traitement ou dans une 25 mémoire. Une fois le montage du moteur électrique effectué, les équipements actuels permettent de mesurer avec précision les angles optimum de commutation en mesurant les caractéristiques électriques du moteur pendant qu'on le fait tourner. Pour pouvoir exploiter au maximum la souplesse offerte par ce système, on peut utiliser un microcontrôleur intégré au roulement comportant un circuit de mémoire programmable et effaçable électriquement, connu sous l'appellation EEPROM, ainsi qu'un dispositif de programmation qui permette le choix et l'enregistrement des positions de commutation 5 une fois le moteur assemblé. Ceci permet donc un ajustement à la carte, moteur par moteur et phase par phase, des angles de commutation sans alourdir le traitement par l'électronique de pilotage. On peut ainsi utiliser des versions peu sophistiquées de logiciel de pilotage de moteur sans balai et éviter de remplacer celles déjà 10 utilisées. L'EEPROM du roulement capteur équipé du dispositif de programmation, peut être facilement programmé de façon classique en utilisant les connexions du circuit qui serviront par la suite à l'alimentation et à la délivrance des signaux. On résout le problème de l'indexage mécanique du roulement 15 instrumenté par rapport au moteur qui devient inutile. L'indexage se fait de façon simple par programmation des positions de commutation mesurées et non plus théoriques une fois que le roulement instrumenté est en place dans le moteur. La précision des angles auxquels la commutation est commandée est directement liée à la haute résolution 20 obtenue par le dispositif de codage absolu de position angulaire sans nécessiter toutefois le débit d'informations lié à la transmission des autres impulsions correspondant aux positions angulaires et qui ici ne sont pas utiles. Les caractéristiques concernées du moteur peuvent être 25 enregistrées dans le roulement instrumenté qui est monté dans ledit moteur. Ceci constitue un autre avantage par rapport à un paramétrage intégré dans un système externe de pilotage du moteur. En effet, le système externe suit un processus de fabrication distinct de celui du moteur auquel il doit ensuite être apparié en y intégrant les paramètres spécifiques de fonctionnement dudit moteur. Il en résulte que toute intervention de maintenance ou de changement dudit système externe qui a plus de chance de survenir qu'une intervention sur un roulement, nécessite alors une sauvegarde préalable des paramètres mémorisés ou un nouvel appariement avec le moteur à piloter. Sur la figure 1, on voit les valeurs programmées ail à al6 de commutation du signal 1 en fonction de la position angulaire a du rotor par rapport à un zéro arbitraire ou calculé, lesdites valeurs programmées étant mémorisées dans la mémoire effaçable 10 électriquement et permettant au dispositif d'exploitation de signal de générer les impulsions de commutation correspondantes lorsque la position angulaire a du rotor détectée par le système de codage absolu du roulement correspond aux angles de commutation programmés. Dans cet exemple, on va considérer que le rotor comporte six pôles, 15 d'o six valeurs ail à a16 programmées pour les fronts montants du premier signal. On peut procéder de la même façon par programmation des fronts descendants de chaque signal. Pour la simplification du dessin, seuls les angles programmés correspondant aux fronts montants du premier signal sont représentés. 20 La figure 2 montre trois signaux déphasés d'environ 120 envoyés par le circuit de traitement du signal vers le logiciel de pilotage du moteur pour réaliser la commutation des phases du stator. Le nombre de connexions de sortie de signaux du roulement instrumenté correspond au nombre maximum de bobines, par exemple 25 six, qu'il est sensé piloter sur l'ensemble des applications visées. Dans le cas o le moteur dans lequel il est monté comporte un nombre inférieur de bobines, trois par exemple, on n'utilise qu'une partie des sorties qui sont programmées en conséquence. Sur la figure 3, le moteur sans balai 1 comprend un rotor 2 à six pôles et un stator 3 à trois bobines, un dispositif de codage absolu 4 associé à un roulement non représenté disposé entre le rotor et un carter solidaire du stator 3, un circuit de traitement du signal 5, une 5 mémoire 6 du type effaçable électriquement, et un système de pilotage 7. Après le montage du moteur, les angles de commutation ail à al6 mesurés en faisant tourner le rotor 2 par rapport au stator 3, sont chargés dans la mémoire 6. Lors du fonctionnement du moteur, le circuit de traitement du signal 5 relié à la mémoire 6 et au dispositif 10 de codage absolu 4 reçoit du dispositif de codage absolu 4 les valeurs a de la position angulaire instantanée du rotor et les valeurs de commutation programmées ail à al6 en provenance de la mémoire 6. Le circuit de traitement du signal 5 envoie, lorsqu'une valeur a reçue en provenance du dispositif de codage absolu 4 est égale à l'une des 15 valeurs ail à a16 en provenance de la mémoire 6, des impulsions correspondantes, par exemple sous la forme de signaux carrés déphasés exploitables par le système de pilotage du moteur 7, lequel est équipé d'un étage de traitement du signal pourvu d'un logiciel de pilotage et d'un étage de puissance relié aux entrées électriques du moteur 1. Sur la figure 4, est illustré un roulement instrumenté 8 équipé d'un dispositif de codage absolu 4 et un circuit de traitement du signal 5. Plus précisément, le roulement 8 comprend une bague extérieure 9 définissant une piste de roulement 10, une bague intérieure Il définissant une piste de roulement 12, une rangée d'éléments roulants 25 13, ici des billes, disposés entre les pistes de roulement 10 et 12 maintenus par une cage 14 et un joint d'étanchéité 15 monté dans une rainure annulaire 16 de la bague extérieure 9, venant frotter sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 11 pour obturer l'un des côtés du roulement 8. De l'autre côté du roulement 8, le dispositif de codage absolu 4 comprend un anneau codeur 17 comprenant un support 18 emmanché sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 11 et une partie active 19 entourant le support 18. Le support 18 peut être 5 réalisé en métal, par exemple en alliage léger ou en acier. La partie active 19 peut être réalisée sous la forme d'un anneau codeur magnétisé en plastoferrite ou en élastoferrite comportant une pluralité de pôles magnétiques circonférentiellement régulièrement répartis, de polarités alternées. Le dispositif de codage absolu 4 comprend également un bloc capteur 20, une pluralité d'éléments capteurs 21, tels que des cellules à effet Hall, une carte du circuit imprimé ou intégré 22, un bouchon 23, et un terminal filaire 24. Le bloc capteur 20 se présente sous la forme d'un anneau dont l'alésage est de diamètre légèrement supérieur 15 à l'alésage de la bague intérieure Il et dont la surface périphérique extérieure est de diamètre légèrement inférieur au diamètre extérieur de la bague extérieure 9. Le bloc capteur 20 est emmanché dans une rainure 25 symétrique de la rainure 16 par rapport à un plan passant par le centre des éléments roulants 13, et est en contact avec la surface 20 frontale radiale 9a de la bague extérieure 9. Le bloc capteur 20 comprend une nervure 26 formée à son extrémité de petit diamètre et en saillie en direction de la bague intérieure 11 avec laquelle elle forme un passage étroit 27 évitant l'intrusion d'éléments étrangers. Les éléments capteurs 21 sont disposés en contact avec la 25 partie du bloc capteur 20 qui fait saillie dans la rainure 25 et entourent radialement la partie active de l'anneau codeur 17 en en étant séparés par un faible entrefer radial. Les éléments capteurs 20 sont connectés mécaniquement et électriquement par leurs broches 28 à la carte 22. La carte 22 comprend les circuits électroniques associés aux éléments capteurs 21 et supporte le circuit de traitement du signal 5 qui peut être disposé sur une face de la carte opposée aux éléments capteurs 21. La carte 22 en forme de disque est en effet disposée dans une ouverture annulaire 29 formée dans le bloc capteur 20 et est en contact 5 de butée avec des épaulements 30 et 31 formés dans ladite ouverture 29. Le bouchon 23 vient obturer ladite ouverture 29 et maintenir la carte 22 dans sa position. Le terminal filaire 24 est disposé sur la surface périphérique extérieure du bloc capteur 20. Un câble 32 en est issu, qui se termine 10 par un connecteur 33, dans lequel la mémoire électriquement effaçable 6 associée à un microcontrôleur est disposée. Le mode de réalisation illustré sur la figure 5 diffère du précédent en ce que le connecteur 33 est dépourvu de mémoire. La mémoire 6 est supportée par la carte 22 à proximité du dispositif de 15 codage absolu 4 et du circuit de traitement du signal 5. Dans les différents modes de réalisation de l'invention, on bénéficie d'une connaissance extrêmement précise de la position angulaire du rotor par rapport au stator, grâce au dispositif de codage absolu 4, d'une connaissance précise des angles optimaux réels de 20 commutation du moteur électrique, grâce à la mémoire 6 et d'un faible flux de données vers le logiciel de pilotage du moteur, grâce au circuit de traitement du signal 5 qui peut n'envoyer que des signaux correspondant aux angles de commutation et permettant à un système de pilotage quelconque de recevoir les informations nécessaires 25 relatives à la commutation. Bien entendu, il est préférable d'utiliser un système de pilotage performant. Toutefois, l'invention peut parfaitement accroître les performances d'un moteur électrique existant pourvu d'un système de pilotage ordinaire en lui fournissant des informations angulaires particulièrement précises et un flux de données relativement faible qui peut se présenter sous la forme classique de trois signaux carrés décalés angulairement. On peut donc moderniser et optimiser facilement un moteur électrique sans balai conventionnel avec le système de commutation selon l'invention. Au contraire, les roulements instrumentés pour commutation qui délivrent en général un signal par phase correspondant aux différentes positions angulaires théoriques o l'alimentation des bobines doit être commutée ne peuvent fournir une information de 10 haute précision. On comprendra également que l'utilisation directe d'un signal délivré par un dispositif de codage absolu par un système de pilotage du moteur nécessiterait un flux de données très important. Le logiciel de pilotage du moteur devrait en effet intégrer les valeurs des angles 15 auxquelles doivent se faire les commutations qui peuvent être différentes d'une phase à l'autre et commander l'alimentation des bobines du stator en fonction de la valeur de la position angulaire du rotor fournie par le codeur absolu. En fait, la haute résolution des signaux générés par un codeur absolu entraîne un débit d'informations 20 souvent trop important pour être traité par les systèmes de pilotage actuels des moteurs sans balai, même aux valeurs de vitesse de rotation courantes. REVENDICATIONS 1-Dispositif de commutation, en particulier pour la commutation des bobinages du stator (3) d'un moteur sans balai, caractérisé en ce qu'il comprend un système de codage absolu (4) de la 5 position angulaire d'un élément tournant apte à être monté sur le rotor (2) dudit moteur (1) et un circuit de traitement du signal (5) associé au système de codage absolu (4) et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage (7) du moteur (1) lorsque ledit rotor (2) atteint la position angulaire de 10 commutation correspondante. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de codage absolu est magnétique. 3-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de codage absolu est inductif. 4-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de codage absolu est capacitif. 5-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de codage absolu est optique. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps de support (20) du système de codage absolu et du circuit de traitement du signal. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une mémoire programmable (6) associée au circuit de traitement du signal. 8-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la mémoire programmable (6) et le circuit de traitement du signal (5) sont solidaires d'une carte (22) logée dans un corps de support (20) du système de codage absolu. 9-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que 30 la mémoire programmable et/ou le circuit de traitement du signal sont logés hors d'un corps de support du système de codage absolu. 10-Palier à roulement (8) comprenant une bague tournante (11), une bague non tournante (9), au moins une rangée d'éléments roulants (13) et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11-Palier à roulement selon 10 caractérisé par le fait que le système de codage absolu comporte un anneau codeur (17) solidaire de la bague tournante (11) et des éléments capteurs 21 solidaires de la bague non tournante 9. 12-Moteur électrique sans balai (1) comprenant un rotor (2), un 10 stator (3), une unité de pilotage (7) et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13-Moteur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que l'unité de pilotage (7) est distante du dispositif de commutation. 14 -Moteur selon la revendication 12 ou 13, caractérisé par le 15 fait que le dispositif de commutation comprend un moyen pour transmettre à l'unité de pilotage une impulsion de commutation lorsque ledit rotor atteint une position de commutation. -Procédé d'initialisation d'un circuit de traitement du signal de roulement instrumenté pour la commutation d'un moteur électrique 20 sans balai, comprenant les étapes suivantes: - montage du roulement instrumenté dans le moteur, - mesure des angles optimaux de commutation du moteur, et - programmation des angles de commutation dans le circuit de traitement du signal associé au roulement. 25