FR2530889A1 - Moteur electrique a courant continu sans collecteur - Google Patents

Abstract

MOTEUR A QUATRE POLES DE STATOR 3 ET ROTOR A AIMANT PERMANENT 4 A AU MOINS DEUX PAIRES DE POLES, UN DETECTEUR DE POSITION DE ROTOR ET UNE INSTALLATION DE COMMUTATION DEPENDANTE DE LA DETECTION ET RACCORDEE A L'ENROULEMENT DU STATOR. MOTEUR CARACTERISE PAR UN ENROULEMENT AUXILIAIRE 6 SUR AU MOINS DEUX POLES VOISINS DU STATOR, S'ETENDANT SUR AU MOINS 360 DEGRES DU POURTOUR, C'EST-A-DIRE DEUX DIVISIONS POLAIRES DE L'AIMANT DE ROTOR 4, DEUX LIMITES POLAIRES 10, 12 DE L'AIMANT DE ROTOR ETANT DECALEES ENTRE ELLES DE 360 DEGRES SUR LE POURTOUR DE LA FENTE D'AIR, POUR PRODUIRE DES MAGNETISATIONS OPPOSEES DANS DEUX DOMAINES 31, 32 DU POURTOUR. MOTEUR APPLICABLE POUR UNE DETECTION EXACTE DE LA POSITION DU ROTOR ET EN CONSEQUENCE UNE COMMUTATION PRECISE.

Description

i 2530889 L'invention concerne un moteur électrique à courant continu sans

collecteur, comprenant au moins quatre pôles de stator et un rotor, moteur présentant un système d'aimant permanent à au moins deux paires de pôles, et une installation pour capter la position de rotor, ainsi qu'une installation de commutation, commandée en dépendance de cette dernière, et qui est raccordée à l'enroulement de stator. Des moteurs de ce type- sont connus d'après le DE-A-28 35 210, -le DE-A-31 22 049, à citer comme antériorité ainsi que le DE-A-331 28 417 Dans cette dernière demande, une impulsion, destinée à un appareil de traitement de signa, est produite par une structure spéciale de magnétisation

du rotor Dans ces solutions, les impulsions pour la détec-

tion de position du rotor ne sont pas toujours exactes pour une même position de rotor, et elles dépendent-de la température, en raison de la sensibilité à la température

ou au vieillissement des palpeurs de position galvano-

magnétiques (par exemple un montage JC de Hall).

De telles impulsions de détection de position de rotor sont nécessaires, dans le cas de moteurs à courant continu sans collecteurs, pour la commutation des courants de bobine à bobine de l'enroulement de stator Elles sont également utilisées pour la régulation de la vitesse de rotation Des appareils de traitement de signal nécessitent cependant un signal de-position de moteur spécial, précis,

auquel sont posées différentes exigences.

Des appareils vidéo à bandes présentent, par exemple, deux têtes de palpage sur le pourtour du tambour de tête sur lequel circule la bande Chacune des têtes explore une moitié d'image et pour trouver des emplacements déterminés, il est nécessaire d'avoir à sa disposition deux_ impulsions séparables distinctes, décalées de 180 degrés sur le pourtour Des constructions connues comportent, sur le pourtour du rotor (décalés mécaniquement de 180 degrés), deux aimants cobalt-samarium et une bobine sur chacun'des emplacements diamétralement opposés du stator Ce mode de

construction est très coûteux.

2 2530889

La présente invention a pour but de produire une première impulsion de détection, pour chaque révolution mécanique, qui soit autant que possible indépendante des variations de température et des effets de vieillissement, et une seconde impulsion de détection, décalée de 180 degrés mécaniques par rapport à la première et qui puisse être

distinguée de la première.

Dans ce but le moteur de l'invention est caractérisé en ce que, dans le domaine de l'ensemble d'enroulement de stator, est prévu un enroulement auxiliaire sur au moins deux pôles de stator voisins, s'étendant sur

le pourtour sur au moins 360 degrés (électriques, c'est-à-

dire sur deux divisions polaires du système d'aimant du rotor), et en ce qu'au moins deux limites polaires du système d'aimant du rotor sont décalées entre elles d'au moins 360 degrés (électriques) sur le pourtour de la fente d'air de telle sorte que, dans les deux domaines de pourtour

soient produites des magnétisations de sens opposés.

Ces impulsions obtenues grâce à l'invention présentent une polarité différente et peuvent par conséquent

être très facilement distinguées Des variations de tempéra-

ture peuvent bien en réalité, par l'intermédiaire de la

rémanence de l'aimant de rotor, modifier légèrement la hau-

teur de ces impulsions de tension, mais non, cependant,

leur position relativement à la position du rotor.

D'après l'invention, il est simplement nécessaire de décaler légèrement entre eux sur le pourtour deux limites polaires de l'aimant de rotor et de prévoir un enroulement auxiliaire (le cas échéant, une simple boucle de conducteur)

au-dessus de pôles de stator situés l'un près de l'autre.

De cette manière, l'une des limites polaires de l'aimant de rotor (aimant d'excitation) est décalée à espacement de 360 degrés électriques (ou multiples pairs) sur le pourtour de la fente d'air, en direction de rotation du rotor, et l'autre limite polaire est légèrement décalée dans le sens opposé à cette direction de rotation C'est spécialement dans le cas de nombres pairs de paires de poles de rotor, c'est-à-dire 2, 4, 6, 8, etc que cet enroulement auxiliaire conforme à l'invention est de réalisation avantageuse sous

la désignation d'enroulement diamétral.

L'aimant de rotor, suivant une autre caractéris-

tique de l'invention, est partagé en deux domaines de magnétisation L'un de ces domaines, avec pôles décalés, sert à la production des impulsions de détection pour la position du rotor (en plus du rôle électro-moteur) et l'autre domaine, avec pôles équidistants sur le pourtour

sert à la commutation Le domaine pour la commutation pour-

rait cependant être prévu, par exemple, avec des marques claires/ foncées en vue d'une commutation commandée par voie opto-électronique. Dans le cas o des micro-processeurs sont mis en

oeuvre pour la commutation, le décalage conforme à l'inven-

tion des limites polaires peut s'étendre sur toute la largeur de l'aimant de rotor (transversalement à la direction de rotation). L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'exemples de réalisation, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe à travers une variante de réalisation de l'invention sous la forme d'un moteur à rotor extérieur, en particulier en liaison avec la figure 2 et la figure 9 la figure 2 est une vue en plan d'une premier exemple d'un stator pour fente d'air cylindrique conforme à la figure 1,

cependant à échelle agrandie (fonctionnement à deux impul-

sions); -

la figure 3 montre un graphique déroulé d'un aimant de rotor

conforme à l'invention, qui est à considérer comme déroule-

ment plat pour une fente d'air suivant les figures 2 ou 9 et pour une fente d'air suivant les figures 10 ou 11; la figure 4 est un graphique simplifié de l'impulsion de tension produite par l'enroulement auxiliaire conforme à l'invention; la figure 5 est un graphique de l'impulsion de tension produite par l'enroulement auxiliaire sur 360 degrés (mécaniques) la figure 6 est un graphique de l'impulsion représentée dans la figure 5, qui a été convertie dans sa forme dans un

4 2530889

premier étage de montage la figure 7 est un graphique de l'impulsion de tension représentée dans la figure 6 qui a été convertie en forme rectangulaire dans un second étage de montage; la figure 8 est un schéma de la conversion de forme suivant les figures 5 et 7; la figure 9 est une vue en plan d'un second stator pour fente d'air cylindrique avec six enroulements (analogue à la représentation de la figure 2); la figure 10 est une vue en plan d'un troisième stator pour une fente d'air plane avec quatre enroulements disposés dans un plan; la figure li est une vue en plan d'un quatrième stator pour une fente d'air à six enroulements disposés dans un plan la figure 12 montre une autre variante avec un aimant de rotor en forme de disque, qui présente une structure de magnétisation spéciale, et la figure 13 est une vue en coupe simplifiée à travers le moteur à rotor en forme de disque suivant les figures 10,

11 ou 12.

Les figures 10, 11 montrent dans une vue en plan sur la fente d'air, le développement de l'enroulement auxiliaire conforme à l'invention avec les enroulements partiels à sens d'enroulement inversé, connectés en série, 45, 46 Les enroulements partiels 47, 48 dans les figures

2 et 9 sont également connectés en série.

La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un moteur à courant continu sans collecteur 1, prévu dans cet exemple avec rotor extérieur Il présente un paquet de tôles de stator 2, qui porte un ensemble d'enroulement de stator 3 Le paquet de tôles de stator 2 forme, avec un aimant permanent 4 de forme annulaire du rotor, une fente

d'air essentiellement cylindrique 5.

Dans la figure 2 est représenté un enroulement auxiliaire 6 à deux pâles dont les bobinages sont enroulés autour d'une paire de pôles de stator du paquet de tôles de stator 2, d'une manière telle qu'ils fassent saillie (figure 3) dans des champs magnétiques polaires opposés 7, 8 de l'aimant permanent (aimant de rotor 4) L'aimant de

2530889

rotor 4 contient quatre limites polaires 9, 10, 11, 12 et il est partagé en deux domaines Dans le domaine 13, les limites polaires 10 et 12 sont légèrement décalées entre elles et elles forment ainsi des domaines de pourtour 31 et 32 En réalité, la limite polaire 10 est déplacée en direction d'une flèche 15 (direction de rotation du rotor) et la limite polaire 12 est déplacée en direction opposée à celle de la flèche 15 Dans le domaine 14, les limites

polaires 9, 10, 11 et 12 sont disposées de -manière exacte-

ment symétrique, réparties à 90 degrés L'enroulement auxiliaire 6 est enroulé essentiellement sur un diamètre du stator (enroulement diamétral) et partagé en deux parties, avec, par exemple, le même nombre de spires Ces parties sont disposées, symétriquement par rapport à un plan, par rapport à un axe de symétrie 37 du stator, de

chaque côté d'un ensemble de paliers 38.

Les impulsions de tension 16, 17 produites par la disposition conforme à l'invention sont représentées schématiquement dans le graphique de la figure 4 sur un domaine de 180 degrés (mécaniques) Les deux impulsions de tension 16 et 17 induites pour chaque révolution ont des polarités différentes et sont par conséquent faciles à distinguer Dans les figures 5 à 7 est représentée la manière par laquelle les impulsions de tension 16 et 17 induites par l'enroulement auxiliaire 6 et les impulsions parasites 18 à 21 sont transformées dans des étages en vue d'obtenir des points de connexion exacts La figure 8

représente, dans un schéma par blocs, un exemple de réalisa-

tion pour ce formage des impulsions A travers un premier étage de montage, consistant en une résistance 22, un condensateur 23 et un intégrateur 24, les impulsions de tension et les impulsions parasites sont converties en impulsions 25, 26 et finalement mises sous forme d'impulsions

28, 29 par un comparateur 27.

Le mode de fonctionnement conforme à l'invention est décrit ci-après L'aimant de rotor à quatre pôles 4 contient, de la manière usuelle, quatre limites polaires 9, 10, 11, 12, dont deux se font face 9, 11, non modifiées dans des positions à 180 degrés (mécaniques) Les deux

6 2530889

autres limites sont décalées, au moins partiellement par rapport à leurs positions à 90 degrés (mécaniques), à savoir une limite polaire 10, en direction de la flèche 15 et l'autre limite polaire 12 en direction opposée à la flèche 15. L'effet de magnétisation principale à quatre pôles conforme à la figure 2 sur l'enroulement de stator à quatre pôles 3 (avec une largeur de bobine effective sur la fente d'air d'environ 180 degrés électriques pour chaque largeur de pôle de rotor) n'est pas sensiblement perturbé par le léger décalage polaire 31, 32, car les décalages par rapport à l'enroulement 3 à quatre pôles se compensent pratiquement dans leur effet, c'est-à-dire qu'ils ne se traduisent que par un léger élargissement des intervalles entre pôles de l'aimant de rotor 4 (voir à

ce propos le DE-C-23 46 380).

Etant donné que l'enroulement auxiliaire (de préférence à largeur de bobine de 360 degrés électriques) et l'enroulement de stator ne sont pas couplés par

transformateur, les champs de stator de l'enroulement prin-

cipal n'influencent pas l'enroulement auxiliaire (ou du moins très peu) De courtes impulsions parasites en forme d'aiguilles 18, 19, 20, 21 peuvent, en outre, être réduites,

suivant une autre caractéristique de l'invention, par inté-

gration de l'impulsion de tension Cette intégration est

d'ailleurs commode à réaliser.

En vue d'obtenir une commutation régulière, il est avantageux de commander le palpeur de position de rotor (montage IC de Hall) galvano- magnétique, constitué, par exemple, comme palpeur sensible au champ magnétique, à partir du domaine 14 de l'aimant de rotor 4, lequel ne

présente pas de décalage des limites polaires 9, 10, 11, 12.

Grâce à la disposition conforme à l'invention, il est possible, sans autre installation, d'obtenir une seule impulsion par tour de rotation, par exemple à l'aide d'une diode. Dans la figure 9 est représentée une autre

disposition de stator fonctionnant avec trois ou six impul-

sions, avec six enroulements 3 et un paquet de tôles de

7 2530889

stator 33, une fente d'air essentiellement constante étant formée sur le pourtour Cette disposition est décrite en

détails dans le DE-A 31 22-049.

La figure 10 montre une disposition de bobines avec quatre bobines 3 de stator équidistantes d'un angle 0 = 90 degrés, pour le rotor conforme à la figure 12 Cette disposition est décrite en détails dans les brevets US

no 4 211 963, 4 322 666 et 4 371 817.

La figure 10 montre également un enroulement de

stator à une couche très simple, avec quatre bobines indi-

viduelles 3, qui convient pour un rotor en forme de disque à huit pôles d'aimant permanent Les bobines 3 diamétralement opposées ont des axes centraux espacés entre eux d'un angle O: = 67,5 degrés (mécaniques) :'Cette disposition est décrite dans le brevet US no 4 125 712 Le moteur est entraîné à

quatre impulsions.

Le brevet US N O 4 174 484 décrit, pour des appa-

reils de traitement de signal, la constitution favorable avec faible dispersion de courant d'un enroulement simple à une seule couche avec quatre bobines, qui présente

quatre bobines successives espacées de 270 degrés (électri-

ques) L'invention est également applicable avec avantage dans ce cas L'axe de symétrie 37 s'étend alors entre la

seconde et la troisième bobine (moteur à quatre impulsions).

La figure 11 montre une disposition analogue à celle de la figure 9, mais cependant pour une fente d'air plane -L'espace entre pôles de stator est de 120 degrés (électriques) environ Le rotor comporte huit pôles et, en conséquence, les pôles de stator 3 ont une dimension géométrique relativement faible On peut envisager une réalisation à quatre pôles avec espacement entre bobines double (mécanique) Cependant un tel enroulement est de fabrication coûteuse en raison de la forme trapézoïdale

précise de telles bobines.

La figure 12 est une vue en plan d'un exemple de réalisation d'un aimant de rotor 41 d'un moteur à rotor en forme de disque (suivant FR-A-78 19782) Etant donné qu'on est en présence ici d'une fente d'air plane 5, la

limite polaire 10 sur l'aimant de rotor 41 de forme circu-

8 2530889

laire, est légèrement décalée dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que la limite polaire 12 est légèrement décalée en sens opposé Il en résulte des domaines 42, 43 qui sont de polarités opposées et qui, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, servent, en commun avec un enroulement auxiliaire 6, à la production de deux impulsions par tour

de rotation.

Dans la figure 13 est représenté un moteur à rotor en disque, qui pourrait contenir, par exemple, les dispositions de stator représentées dans les figures 10

et 11 et l'aimant de rotor 41 de la figure 12.

Au lieu de l'enroulement auxiliaire conforme à l'invention qui est enroulé mécaniquement sur le diamètre, par exemple suivant les figures 10 et il, les domaines de pourtour 31, 32 ou 42, 43, pourraient être disposés décalés entre eux de 90 degrés, par exemple quatre fois (voir 31 ', 32 ', 31 ", 32 " dans la figure 14) et l'enroulement auxiliaire entourant sensiblement, avec chaque fois un enroulement

partiel ( 77, 78 dans la figure 14) deux quadrans diamétrale-

ment opposés Pour cela serait prévu un rotor à quatre pôles, par exemple comme dans la figure 12, mais cependant avec quatre domaines de pourtour 42, 43 au lieu des deux

domaines représentés.

Le brevet US n' 3 840 761 montre une autre dispo-

sition de moteur utilisable avec avantage, qui présente un enroulement auxiliaire conforme à l'invention, avec quatre domaines de pourtour 31 ', 32 ', 31 ", 32 " Cette disposition

est représentée dans la figure 14.

Il est possible de réaliser la commutation au

moyen de microprocesseurs Une tension indirecte, par exem-

ple dans l'enroulement de stator par l'aimant de rotor, est utilisée comme signal indiquant la position du rotor, et le micro-processeur commande, en dépendance de cette tension, la commutation des courants de bobines Les impulsions de stator dont on dispose peuvent être utilisées

comme indicateurs de position pour la commutation du moteur.

Le palpeur de position de rotor 30 peut alors être supprimé.

Ainsi est également supprimé le domaine 14 de l'aimant de rotor, de telle sorte que la magnétisation de cet aimant

9 2530889-

est simplifiée et le volume est réduit.

L'invention peut trouver son application, de manière correspondante, dans le cas de moteurs à rotor intérieur.

2530889

R E V E N D I C A T I O N S -

1 Moteur à courant continu sans collecteur avec au moins quatre pôles de stator et avec un rotor, qui présente un système d'aimant permanent comportant au moins deux paires de pôles, et avec une installation pour

la détection de la position de rotor, ainsi qu'une instal-

lation de commutation, commandée en dépendance de cette détection, et qui est raccordée à l'enroulement de stator, moteur caractérisé en ce que, dans le domaine de l'ensemble

d'enroulement de stator ( 3), est prévu un enroulement auxi-

liaire ( 6) sur au moins deux pôles de stator voisins,

s'étendant sur le pourtour sur au moins 360 degrés (électri-

ques, c'est-à-dire sur deux divisions polaires du système d'aimant du rotor), et en ce qu'au moins deux limites polaires ( 10, 12) du système d'aimant du rotor ( 4) sont décalées entre elles d'au moins 360 degrés (électriques) sur le pourtour de la fente d'air ( 5) de telle sorte que, dans les deux domaines de pourtour ( 31, 32) soient produites

des magnétisations de sens opposés.

2 Moteur à courant continu sans collecteur avec au moins quatre pôles de stator et avec un rotor, qui présente un système d'aimant permanent comportant au moins deux paires de pôles, et avec une installation pour

la détection de la position de rotor, ainsi qu'une installa-

tion de commutation, commandée en dépendance de cette détection, et qui est raccordée à l'enroulement de stator, caractérisé en ce qu'un enroulement auxiliaire ( 6) est constitué dans le stator de telle manière qu'il soit inefficace du point de vue moteur électrique par rapport aux pôles de l'aimant de rotor ( 4), auquel cas les tensions induites par la rotation dans les portions d'enroulement individuelles se compensent l'une l'autre, au moins deux limites polaires ( 10, 12) de l'ensemble d'aimant du rotor ( 4) étant décalées d'au moins 360 degrés (électriques) (deux sections polaires de l'aimant de rotor) sur le pourtour de la fente d'air ( 5) d'o résultent dans au moins les deux

domaines de pourtour ( 31, 32) ainsi formés deux magnétisa-

tions opposées.

ll 2530889

3 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 et 2, caractérisé-en ce que le nombre de paires

polaires de l'aimant de rotor ( 4) est un nombre pair.

4 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'enroulement auxiliai-

re ( 6) est enroulé essentiellement sur le diamètre géométri-

que du stator.

Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 4, caractérisé en ce que l'enroulement auxiliai-

re ( 6) est partagé en deux parties comportant, de préférence,

le même nombre de spires-, ces parties étant disposées symé-

triquement par rapport à un plan par rapport à un axe de symétrie ( 37) parallèle au diamètre, de chaque côté du

système de paliers ( 38).

6 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 5, caractérisé en ce que l'aimant de rotor ( 4)

est partagé en deux domaines ( 13, 14) s'étendant en direc-

tion de la rotation, auquel cas dans le domaine efficace comme moteur ( 13) de l'aimant de rotor ( 4),-une limite polaire ( 10) est décalée en direction de la rotation (flèche 15) et une autre limite polaire ( 12) est décalée

en sens opposé de la direction de rotation ( 15).

7 Moteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que, dans le domaine ( 14) de l'aimant du rotor ( 4) en vue de la commande d'un palpeur magnétique de position de rotor ( 30) pour la commutation, les limites polaires ( 9, 10, 11, 12) présentent des espacements égaux en- direction

du pourtour.

8 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 7, dans lequel le moteur est un moteur dit à deux impulsions, qui présente un champ alternatif et un moment auxiliaire de réluctance, qui sont sensiblement de phases opposées, caractérisé en ce qu'un seul palpeur de position de rotor ( 30) est disposé dans le domaine ( 14) de

l'aimant de rotor ( 4).

9 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 8, caractérisé en ce que le stator présente quatre pôles (s'étendant sur le pourtour chacun sur 180 degrés électriques) et l'enroulement auxiliaire ( 6) s'étend

12 2530889

sur 360 degrés électriques, et en ce que deux limites polaires ( 10, 12) de l'aimant excitateur ( 13) du rotor

sont décalées sur le pourtour de 360 degrés électriques.

Moteur suivant l'une quelconque des reven-

dications 1 à 9, caractérisé en ce que, sur des pôles de

stator estampés sont disposés, à chaque fois, des enroule-

ments concentriques ( 3) avec un espacement de bobines

inférieur à la répartition polaire, et l'enroulement auxi-

liaire ( 6) est enroulé dans une gorge et dans une troisième

gorge.

11 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 9, caractérisé en ce que, sur un noyau de stator en fer exempt de gorges, l'enroulement de stator disposé dans la fente d'air et l'enroulement auxiliaire

sont prévus avec chaque fois la pleine largeur de bobine.

12 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 7, dans lequel le moteur à courant continu sans collecteur est un moteur à trois branches, à trois N pôles

de stator ( N > 2 étant un nombre pair), moteur caracté-

risé en ce que l'enroulement auxiliaire ( 6) est enroulé sur trois m pôles de stator (m étant un nombre pair) avec

un pas d'enroulement de m 360 degrés électriques.

13 Moteur suivant la revendication 12, caracté-

risé en ce que, sur l'enroulement de stator ( 3) présentant au moins six pôles (avec une extension chacun d'environ degrés électriques), est prévu un enroulement auxiliaire ( 6) sur au moins trois pôles de stator voisins avec une extension sur le pourtour d'au moins approximativement

360 degrés électriques.

14 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 13, caractérisé en ce que les domaines de pourtour ( 31, 32), formés par le décalage des pôles ( 10, 12) du domaine ( 13) de l'aimant de rotor ( 4), ne sont pas

supérieurs à 20 % de la largeur de pôle, et sont, de préfé-

rence, compris entre 5 à 10 % de celle-ci.

Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 14, caractérisé en ce que les limites polaires ( 9, 10, 11, 12) du domaine ( 13) de l'aimant de rotor ( 4)

13 2530889

sont essentiellement linéaires et s'étendent, au moins en partie, suivant un angle par rapport à la direction de l'axe

de rotation du rotor.

16 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 5, caractérisé en ce que la distribution d'induc- tion du domaine ( 13) de l'aimant de rotor ( 4) dans la fente d'air, vue en direction de rotation du rotor, est au moins

approximativement de forme trapézoïdale.

17 Moteur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 6 ou 7, caractérisé par l'utilisation d'un moteur

à rotor en forme de disque.