ROTOR POSITION DETECTING DEVICE FOR AN ELECTRIC LATHE

Abstract: 1. Device for detecting the position, and possibly the velocity, of a rotor of an electrically operated rotary and in particular synchronous machine having a rotor with a permanent magnet and with a self-adjusting facility, of the type comprising, mounted on such a machine, one or a plurality of permanent magnets (2, 3) for generating a magnetic flux, by means of two Hell effect transducers or sensors (4) which are rigidly disposed opposite this or these permanent magnet(s) (2, 3) and of which the output voltage, which is proportional to the strength of the magnetic induction created by this or these magnet(s), may be applied to a circuit (5) for controlling the power supply to the stator, and comprising scanning means (1) adapted to rotate about the axis of rotation (X - X) of the rotor of the machine, producing an alternating variation in the magnetic flux effectively intercepted by these Hall effect sensors, in which the permanent magnet(s) (2, 3) is/are disposed on the shaft (1) of the rotor, with the poles radially orientated, and are therefore driven in synchronism and in rotation with the rotor, this arrangement constituting the said rotary scanning means (1), while the effect sensors which have a linear output (4) are fixed and are disposed in the same median diametral plane (P) as the said magnet(s) (2, 3) and concentrically in respect thereof, characterised in that in order accurately to determine the angular position of the rotor, while reliably eliminating any harmonics of a higher level, the radial distance of the Hall effect sensors (1) from the axis (X - X) of the rotor is around two to three times the thickness of the magnet(s) (2, 3) likewise in a radial direction, so making it possible continuously to utilise the sinusoidal signal provided by the Hall sensors.

Description: Dispositif de détection de la position du rotor pour machine tournante Flectriquev La présente invention conçerne les dispositifs de détection de position du rotor, et éventuellement de sa vitesse, pour machines électriques tournantes, notamment synchrones, à rotor a aimant permanent et auto-pilotage, -du type comprenant, montés sur une telle machine, un ou plusieurs aimants permanents générateurs d'un flux magnétique, au moins deux sondes ou transducteurs à effet Hall qui sont disposés de manière fixe en regard de ce ou ces aimants permanents et dont la tension de sortie, qui est dependante dç l'intensité de l'induction magnétique créée par ce ou ces aimants, peut être appliquée a un circuit d'asservissement de l'alimentation du stator, et des moyens de défilement en rotation autour de l'axe de rotation du rotor de la machine, produisant une varia tion alternative du flux magnétique effectivement intercepté par ces sondes à effet Hall. Ces dispositifs permettent de déterminer la position du rotor à tout instant, et de piloter en conséquence l'alimentation de la machine tournante. De plus, le signal analogique obtenu est continu et précis, il donne accès Åa la vitesse par calcul, il peut servir a la commutation des phases, et, enfin, il permet de décaler- la position de référence, donc d'assurer un pilotage avec avance de phase. On connaît déjà, par exemple, par le brevet français ne 2 493 981 de la présente demanderesse, des dispositifs de ce type dans lesquels le ou les aimants permanents sont disposés de manière fixe, mais concentriquement à l'axe de rotation du rotor et en regard, dans le sens axial, des sondes a effet Hall "tout ou rien", les moyens de défilement en rotation étant constitués par un disque en matière magnétique et ajouré, a deux ouvertures en forme de secteur circulaire, ce disque étant disposé entre ce ou ces aimants et ces sondes et tournant en synchronisme avec le rotor. On obtient de la sorte une onde alternative, éventuellement triphasée dans le cas çû on utilise trois sondes, mais qui est relativement grossière du fait de la détection par "tout ou rien", chaque alternance se présentant sous la forme d'un profil trapézoidal a flancs raides, forme -qui est peu adaptée pour les fortes puissances. De plus, avec une telle- disposition, dans laquelle 11 entrefer entre le ou les aimants -et les sondes est axial, il est nécessaire de prévoir desdispositions très -particu- lièvres concernant le montage et le calage afin d'assurer un positionnement parfait et surtout constant dans le temps, de l'ensemblè. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un dispositif de détection qui, d'une part, soit mieux adapte aux machines de forte puissance, et, d'autre part, supprimé la complexité de construction et de calage axial. Certes, on connaît, d'après le brevet allemand bE--A-2.946.013 (SIEMENS) des -dispositifs du genre indicateur de phases présentant une commande de courant statorique pilotée par des sondes de Hall disposées dans l'intervalle situé entre le stator et un rotor Åa aimant pour délivrer une- tension proportionnelle au champ magnétique dans cet espace de façon à générer un signal sinusoidal en relation avec la position du rotor. Ce dispositif permet de piloter l'alimentation statorique chaque fois que la tension de Hall s'annule, de façon à engendrer un champ statorique tournant. Toutefois, un tel dispositif ne fournit qu'une indication approximative et surtout discontinue relative à la position du rotor, dont l'utilité est faible-, en particulier aux faibles vitesses de rotation. L'invention a pour objet un dispositif du type précité, dans lequel un ou des aimants permanents sont disposés sur l'arbre du rotor, avec une orientation radiale des pôles, et sont donc entraînés en rotation, de manière synchrone, avec le rotor, cette disposition constituant lesdits moyens de défilement en rotation, tandis que des sondes à effet Hall à sortie linéaire, qui sont fixes, sont quant à elles,. disposées suivant le même plan diamétral moyen que ce ou ces aimants, de manière concentrique Åa celui ou ceux-ci, caractérisé en ce que, pour détecter de façon précise la position angulaire du rotor, la distance radiale des sondes par rapport à l'axe du rotor est suffisante pour assurer l'élimination des harmoniques d'ordre supérieur, permettant ainsi d'exploiter le -signal sinusoidal fourni par les sondes de Hall de façon continue. Grâce a cet agencement, chacune des sondes Åa effet Hall reçoit comme signal magnétique, qu'elle transforme en signal électrique proportionnel, une onde formée d'au moins une onde sinusoldale fondamentale correspondant a la variation de l'induction dans l'entrefer au niveau de cette sonde, due au passage du ou des aimants permanents devant elle, la tension fournie par la sonde présentant une amplitude quasi indépendante de la vitesse. Ainsi l'obtention de cette onde sinusoîdale assure un meilleur pilotage pour les machines de forte puissance, par exemple supérieure à 2 kW, la consigne des courants de chaque phase pouvant, dans ce cas, être directement donnée par les signaux des sondes ; elle simplifie également le pilo tage avec avance de phase ; elle permet encore d'obtenir simultanément l'information de vitesse du rotor ; enfin, l'information sur la position du rotor est très précise pouvant, par exemple, atteindre + 10 & tr près si est P le nombre de paires de pôles du rotor. Par ailleurs, on évite tout calage axial complexe tel qu'il était précédemment nécessaire, et on supprime le disque mobile qui assurait le défilement en rotation, gagnant donc ainsi encore en encombrement et en poids. De manière particulièrement avantageuse, le nombre de paires de pôles des aimants permanents est de la forme p = 2 n + 2, avec n : O, 1, 2, etc..., soit p = 2, 6, 10..., ceci pour des raisons de symétrie et en raison du fait que les aimants disponibles sont parallélépipèdi- ques et que leur aimantation est uniforme et non pas sinu soidale De préférence, le ou les ¯aimants permanents du dispositif de détection sont distincts des aimants du rotor lu-.-même et ils montés sur et en bout d'arbre de ce rotor. Très avantageusement également, la distance radiale des sondes a effet Hall par rapport a l'axe du rotor est de l'ordre de deux à trois fois l'épaisseur du ou des aimants, également suivant la direction radiale. Cette importance de la distance radiale assure en effet l'élimi- nation des harmoniques d'ordre supérieur et réduit aussi la valeur dtindustion B par rapport A B . De préférence, 1 2 aussi, la crête d'induction du ou des aimants permanents au niveau, radial, des sondes est supérieure ou égale au seuil de linéarité de ces sondes, ce qui assure un caractère parfaitement sinusoïdal des signaux obtenus et permet donc de bénéficier au maximum des avantages oferts par ce caractère sinusoidal. De manière avantageuse encore, il est prévu une culasse de retour de flux de forme cylindrique qui est disposée coaxialement a l'axe du rotor, les sondes a effet Hall étant placées au voisinage immédiat de la surface cylindrique intérieure de cette culasse, ce qui améliore l'amplitude de l'induction au niveau des sondes et supprime la composante tangentielle de l'induction. De préférence, le circuit d'asservissement se présente sous la forme d'un circuit imprimé qui est disposé radialement et fixé au fond de la culasse cylindrique et qui porte les sondes a effet Hall. Bien qu'à la limite deux sondes a effet Hall disposées en quadrature puissent suffire, on prévoit avantageusement, dans un mode de réalisation particulier, trois sondes disposées a 1200 l'une de l'autre par rapport a l'axe du rotor. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un exemple de réalisation particulier qui va suivre à titre non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une vue en coupe axiale schématique d'un dispositif de détection conforme à l'invention disposé en bout d'arbre du rotor d'une machine tournante la figure 2 représente une vue en coupe diamétrale prise suivant la ligne Il-Il de la figure 1. Le dispositif de détection représente est monté sur l'extrémité 1 de l'arbre de rotor d'une machine tournante non représentée, mais située sur la droite de la fig. 1, qui est enfermée dans un carter également non représenté, cet arbre de rotor tournant autour d'un axe X-X, Ce dispositif comprend deux paires 2 et 3 d'aimants permanents, trois sondes ou transducteurs linéaires a effet Hall 4 et un circuit imprimé 5 d'asservissement de l'aimentation du stator de la machine, le tout enfermé dans une culasse de retour de flux 6. Cette culasse 6 est une culasse en matériau magné tique en forme de cuvette cylindrique d'axe X-X, dont le fond est situé a l'opposé de la machine, soit sur la gauche- #sur la fig. 1, et qui est fixée sur le carter de cette machine par des moyens non réprésentés. Les aimants permanents 2 et 3 sont par exemple du type "samariumcobalt" et ils ont une forme sensiblement parallélépipèdique et sont appliqués sur quatre méplats orthogonaux 7a d'une pièce 7 qui est rapportée sur l'extré- mité d'arbre 1 et maintenue sur celle-ci, avec les aimants, a l'aide de moyens appropriés tels qu'un écrou 8. Ces aimants sont disposés de manière que leur flux soit orienté radialement vers l'extérieur pour la paire, diamétralement opposée, 2, et radialement vers l'intérieur pour la paire orthogonale, également diamétralement opposée, 3. Leur profil extérieur est arrondi de manière à épouser -une enveloppe extérieure des quatre aimants, sensiblement cylindrique 9, tandis que des cales de court-circuit 10 sont interposées dans chacun des angles libres délimités par les aimants, afin d'assurer un équilibrage magnétique de l'ensemble. Ces aimants 2 et 3 sont disposés suivant un plan diamétral moyen P, et les trois sondes à effet Hall sont également placées, à 1200 l'une de l'autre par rapport à l'axe X-X, dans ce même plan P, en étant maintenues de manière fixe par rapport à la culasse 6, de façon concentrique aux aimants 2 et 3. Ces sondes sont situées a une distance radiale des aimants 2 et 3 qui est comprise entre deux -à trois fois l'épaisseur radiale de ces der niera Elles sont par ailleurs maintenues fixes, au voisinnage immédiat de la culasse 6, en étant portées à l'extrê- mité de supports il qui sont parallèles à l'axe X-X et sont eux-mêmes portés en porte-a-faux par le circuit imprimé- 5 qui se trouve fixé, à l'aide de moyens non repré sentes, sur- le fond 6a de la culasse de manière à être perpendiculaire à l'axe XX. Les supports 11 sont, par exemple, des pièces moulées dans lesquelles sont incorporés -des conducteurs reliant les sondes 4 au circuit 5-. Le fonctionnement succinct du dispositif de détection ainsi décrit est le suivant Lors de la rotation du rotor, les aimants permanents 2 et 3 produisent une induction qui, au niveau des sondes 4, présente essentiellement uniquement une harmonique fondamentale sinusoidale qui est transformée, par ces mêmes sondes, en un signal électgrique également sinusoidal, l'ensemble des trois signaux constituant une onde triphasée qui, par l'intermédiaire du circuit 5, est utili sée pour piloter l'alimentation de la machine tournante et fournir une indication précise de la position angulaire du rotpr, ainsi que, par dérivation, de sa vitesse.

Claims: REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de position-du rotor, et éventuellement de sa vitesse, pour machine- électrique tournante, notamment synchrone, à rotor a aimant permane#nt et a auto-pilotage, du type comprenant, montés -sur une telle machine, un ou plusieurs aimants permanents (.2, 3), générateurs d'un flux magnétlque, au moins deux sondes ou transducteurs a effet Hall (4) qui sont disposés de manière fixe en regard de -ce ou ces aimants# permanents (2, 3) et dont la tension de sortie, qui est proportionnelle à l'intensité de l'induction magnétique créée par ce ou ces aimants, -peut être appliquée à un circuit (': :5) d'asservissement de l'alimentation du stator, et des moyens (1) de défilement en rotation autour de l'axe de rotation (X-X) du rotor de la machine, produisant une variation alternative du flux magnétique effectivement intercepté par ces sondes a effet Hall, dans lequel le ou les aimants permanents (2, 3) sont disposés sur arbre (1) du rotor, avec une orientation radiale des pôles, et sont donc entraînés en rotation, de manière synchrone, avec le rotor, cette disposition constituant lesdits moyens (1) de défilement en rotation, tandis que des sondes a effet Hall à sortie linéaire (4), qui sont fixes, sont quant a elles disposées, suivant le même plan diamétral moyen (P) que ce ou ces aimants (2, 3),- de manière concentrique a celui ou ceux-ci, caractérisé en ce que, pour détecter de façon précise la position angulaire du rotor, la distance radiale des 'sondes -par rapport à l'axe du rotor est suffisante pour assurer l'élimination des harmoniques d'ordre supérieur, permettant ainsi d'exploiter le signal sinusoïdal fourni par les sondes de Hall de façon continue. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de paires de pôles des aimants permanents (2, 3) est de la forme p = 2 n + 2, avec n = 0, 1, 2, etc... 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendi cations 1 et 2, caractérisé en ce que le ou les aimants permanents du dispositif de détection sont distincts des aimants du rotor lui-méme et sont montés sur et en bout d'arbre de ce rotor. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications l a 3, caractérisé en ce que la distance radiale des sondes a effet Hall (4) par rapport a l'axe (X-X) du rotor est de l'ordre de# deux à trois fois l'épaisseur du ou des aimants (2, 3), également suivant la direction radiale. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la crête d'induction du ou des aimants permanents (2, 3) au niveau, radial, des sondes (4) est supérieure ou égale au seuil de linéarité de ces sondes. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications l à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu une culasse (6) de retour de flux de forme cylindrique qui est disposée coaxialement à l'axe (X-X) du rotor, les sondes à effet Hall (4) étant placées au voisinage immédiat de la surface cylindrique intérieure de cette culasse (6). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que le circuit d'asservissement (5) se présente sous la forme d'un circuit imprimé qui est #disposé radialement et fixé au fond (6a) de la culasse cylindrique (6) et qui porte les sondes à effet Hall (4). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu trois sondes (4) disposées à 1200 l'une de l'autre par rapport à l'axe (X-X) du rotor. 9. dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisé en ce que des cales de court-circuit (10) sont interposées dans les angles sépa- rant les aimants permanents (2, 3).

Inventors: THIBAULT, ALAIN, VANDERSCHAEGHE, CHRISTIAN
Applicants: LABINAL
Application year: 1986
Main classification: G01P3
IPC codes: G01P3