Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
i~VO 93/22621 P(.'T/FR93/00391
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Dispositif rotor/stator de modulation de tension, notamment
pour moteur électrique sans balais.
L'invention se rapporte à la modulation du
courant dans les phases d'un moteur sans balais, et plus
généralement à la modulation d'au moins deux courants en
fonction de la rotation d'un rotor par rapport à un stator.
S Généralement, la commutation du courant dans les
phases d'un moteur sans balai est pilotée .
- soit par des capteurs à effet HALL qui fournissent des
signaux logiques (tout ou rien) directement utilisés pour la
commutatïon des phases,
-- soit par un résolveur ou un codeur optique absolu fournis-
sant la position relative du rotor du moteur par rapport à
son stator. Cette solution beaucoup plus précise est bien
adaptée à des moteurs à forme d' onde sinusoïdale . Elle est en
revanche beaucoup plus chère et encombrante.
L'invention vise à obtenir une information
contïnue et précise de la position relative rotor/stator d' un
moteur sans balai, en vue de générer les signaux alternatifs
destinés à piloter l' alimentation des phases de ce moteur,
grâce à un dispositif qui soit peu encombrant et d' un prix
peu élevé, et qui permette, de plus, par traitement des
signaux obtenus, d'avoir une information tachymétrique de
bonne qualité sur la vitesse de rotation de ce moteur.
Plus généralement, elle vise à abtenir une
information continue et prëcise de la position ou de la
2S vitesse relative d'un rotor par rapport à un stator, grâce à
un dispositif de modulation de tension qui soit peu encom-
CA 02110896 2006-O1-12
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brant et d'un prix modéré.
Elle propose à cet effet un dispositif de modulation de
tension comportant:
- un stator fixe comportant au moins une piste annulaire
de signal ayant un axe, connectée en des points angulairement
répartis alternativement aux bornes positive et négative d'une
source de tension continue et ayant une résistivité telle que
son potentiel varie circonférentiellement de façon périodique
entre une valeur maximale et une valeur minimale, ainsi qu'une
pluralité d'au moins deux pistes collectrices centrées sur
ledit axe et connectées chacune à une borne respective de
sortie, chacune de ces bornes de sortie étant connectée à
l'une respective desdites bornes de commutation,
- un rotor centré sur ledit axe, adapté à être attelé à
un corps rotatif d'entraînement tournant autour de l'axe,
comportant une pluralité d'au moins deux balais de sortie en
même nombre que la pluralité de pistes collectrices et adapté
chacun à balayer une piste collectrice respective, ainsi
qu'une pluralité de balais d'entrée en même nombre que les
balais de sortie, chaque balai d'entrée étant connecté
électriquement à un balai de sortie respectif, chaque balai
d'entrée étant adapté à balayer une telle piste annulaire de
signal à variation circonférentielle périodique de potentiel
portée par le stator, ces balais d'entrée étant disposés en
sorte de prélever, lors de la rotation du rotor par rapport au
stator, des potentiels présentant un déphasage électrique
donné.
On appréciera qu'un tel dispositif est un potentiomètre à
rotation continue et à balais multiples (c'est-à-dire à
sorties parallèles multiples).
Ce potentiomètre délivre en parallèle P informations
périodiques au cours de la rotation du corps rotatif
d'entraînement, P étant égal au nombre de balais de sortie.
CA 02110896 2006-O1-12
2a
Lorsque ce potentiomètre sert au pilotage d'un moteur
polyphasé sans balais, en ayant son rotor accouplé à celui
dudit moteur, ce nombre P est en principe égal au nombre de
phases de ce moteur (ou à multiple de celui-ci) et ses
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~;~.~UB~~
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bornes de sorties sont chacune utilisées pour piloter le
courant de l'une des phases de moteur par l'intermédiaire
d' une êlectronique de puissance de tout type connu approprié .
Si N est le nombre de paire de pôles de ce moteur, les
S informations périodiques précitées ont une fréquence de
préférence égale à N (voire à un sous-multiple de N) fois la
fréquence de rotation du moteur. Par traitement électronique
approprié de mise en forme des signaux appliqués par les
balais de sortie aux pistes collectrices, on peut adapter la
forme des informations périodiques issues du potentiomètre
(forme en zig-zag, forme sinusoïdale ou trapézoïdale notam-
ment) en fonction de la destination de ces informations
périodiques (pilotage de moteur', mesures de vitesse, asser-
vissements ...}.
Grâce à sa simplicité, le dispositif de l'inven
tion est d'un faible encombrement et d'un poids réduit.
La formation des pistes de signal ou collectrices
fait appel à des technologies éprouvées et robustes connues
des fabricants de potentiomètres, d'ôù une grande fiabilïté
d' utilisation ; il s' agit par exemple de pistes dites "pistes
plastiques" en matériaux synthétiques conducteurs dont la
gamme de stabilité et de fonctionnement en température
(typiquement -55°C, 200°C) permet un très grand nombre
d'applications.
Selon d"autres avantages de l'ïnvention .
- le dispositif est précis et insensible aux variations de
températures contrairement aux dispositifs â effet Hall ou
Optique,
- le dispositif est insensible aux perturbations magnétiques
produites par le moteur contrairement aux dïspositifs à effet
Hall,
- le traitement des signaux délivrés permet d'obtenir
facilement une information tachymétrique de bonne qualité
très utile pour une régulation de vitesse ou pour des
fonctions d°asservissement,
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VYO 93/22621 ~ . ~ ~ PC1'/FR93/OQ~Q,1
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- le prix du capteur est peu élevé compte tenu de sa préci-
sion.
Selon des dispositions préférées de l'invention
avantageusement combinées .
S - le stator comporte une unïque piste annulaire de:.-signal
balayée par chaque balai d'entrée, ces balais d'entrée étant
décalés angulairement,
- lesdites pistes collectrices sont au nombre de deux et les
balais d'entrée ont un décalage angulaire égal à (i + ,'-4):cp,
avec i étant un entier, si ~p est la période angulaire avec
laquelle varie circonférentiellement le potentiel de la piste
de signal,
- lesdites pistes collectrices'sont au nombre de trois, et
les balais d'entrée ont des décalages angulaïres de
1 5 ( i + ~/~) . cp et ( i + ~) . c~. avec i étant un entier, si cp est la
période angulaire avec laquelle varie circonférentiellement
le potentiel de la piste de signal,
- la piste de signal est connectée en quatre poïnts décalés
de 90°, en alternance, soit à la borne positive, soit â la
borne négative de la source de tension continue, grâce â quoi
la période angulaire avec laquelle varie circonférentielle-
ment le potentiel de la piste de signal est de n,
- lesdites pistes de signal et collectrices, et lesdits
balais d'entrée et dé sortie sont ménagés sur des faces
transversales à l'axe,
- les balais d'entrée d'une part et les balais de sortie
d'autre part, sont ménagés sur des faces distinctes du rotor
et ladite piste de signal d'une part, et les pistes collec
trices d'autre part, sont ménagées sur des faces dïstinctes
du stator,
- tous les balais sont ménagés sur une même face du rotor, et
toutes les pistes sont ménagées sur une même face du stator,
- lesdites pistes de signal et collectrices et lesdits balais
d' entrée et de sortie sont ménagés sur des surfaces cylindri
ques du stator et du rotor respectivement,
~..., WO 93/22621 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ PCT/FR93/00391
- un élément de mise en forme de signal est connecté entre
les pistes collectrices et les bornes de sortie,
- ledit corps rotatif d'entraînement est le rotar d'un moteur
électrique sans balais dont chacune des phases est pilotée
5 par le signal fourni par l'une, respective, des bornes de
sortie,
- le rotor de ce dispositïf comporte un manchon creux attelé
en rotation à l'arbre dudit moteur,
- la résistivité des pistes collectrices est inférieure d'au
moins deux ordres de grandeur à la résistivité de la piste de
signal.
Des objets, caractéristiques et avantages de
l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à
titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés
sur lesquels .
la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un
dispositif de modulation de tension conforme à l'invention,
selon la ligne I-T de la figure 5,
- la figure 2 est une vue de l'une des faces
transversales internes du stator,
- la figure 3 est une vue de l'autre des faces
transversales internes du stator,
- la figure 4 est une vue de celle des faces
transversales externes du rotor qui fait face à la face
représentée à la figure 2,
- la figure 5 est une vue de l'autre des faces
transversales externes du rotor,
- la figure 6 est un graphique montrant l'évolu
tion au cours du temps des signaux UA et UB générés par le
dispositïf des figures 1 à 5,
- la figure 7 est une vue similaire à celle de la
figure 5, mais avec trois collecteurs, selon une variante de
réalisation,
- la figure 8 est un graphique similaire montrant
les signaux générés par le dispositif de la figure 7,
WO 93/22621 - Pf,"ï/FR93/0~.'~1
..
s
- la figure 9 est un autre graphique similaire
montrant les signaux générés par le dispositif des figures 1
à 5 avec traitement électronique de mise en forme, et
- la figure 10 est une vue en coupe d'encore une
autre varïante de dispositif de modulation de tension,
intégrée à un moteur biphasé.
Les figures 1 à 5 représentent un dispositif de
modulation de tension servant au pilotage des phases d'un
moteur sans balais, désigné par la référence 1 dans son
i0 ensemble.
Ce dispositif comporte un manchon creux 2 attelé
en rotation, par exemple par clavettage, à un arbre de
commande 50, un rotor 3 solidaire de ce manchon 2 et un
stator fixe 4, des bornes d'alimentation + et - et des bornes
de sortie A et B.
Plus précisément l'arbre 50 entraînant en
rotation le manchon 2 et donc le rotor 3 est ici l'arbre de
sortie d'un moteur rotatif biphasé 51 comportant un carter 52
auquel le stator 4 est fixé par tout moyen connu approprié,
tandis que les bornes de sorties A et B du dispositif sont
connectées aux bornes de contrôle de commutation 53 et 54 du
moteur biphasé.
Les bornes d'alimentation -~ et - du dispositif 1
sont connectées aux bornes d' une source stabilisée de tension
continue 55 de tout type connu approprié (par exemple une
source -10 V, + 10 V).
De maniére classique, les bornes de contrôle de
commutation {ou de pilotage) 53 et 54 sont connectées â un
bloc électronique de puissance schématisé en 56 ( de tout type
connu approprié) adapté, en fonction des signaux de pilotage,
â appliquer de façon appropriée aux phases ( non représentées )
du moteur, du courant fourni par une source de tension 57
(ici continue).
Le stator 4 comporte d'une part une piste
annulaire de signal 5 (ici unique ), d'autre part deux pistes
annulaires collectrices 6 et 7, ces diverses pistes annu
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7
laires étant centrëes sue; l'axe z-Z de l'arbre de commande
50.
Le rotor 3 comporte deux balais d'entrée 8 et 9
adaptés tous deux à balayer la piste annulaire de signal 5,
S ainsi que deux balais de sortie 10 et 11, respectivement
connectés aux deux balais d'entrée 8 et 9 au sein du rotor 3
par des liaisons 12 et 13, et adaptés à balayer respective-
ment les deux pistes annulaires collectrices 6 et 7.
Dans l'exemple considéré, les pistes annulaires
S, 6 et 7 sont ménagées sur des faces transversales 14 et 15
du stator 4, tandis que les balais 8 à 11 sont ménagés sur
des faces transversales 76 et 17 du rotor, les balais
d ° entrëe 8 et 9 étant situés â la même distance de l' axe z-Z,
mais décalés angulairement l'un de l'autre d'un angle cx non
nul, tandis que les balais de sortie 10 et 11 sont situés à
des distances différentes vis à vis de l'axe Z-z, avec un
éventuel décalage angulaire ici égal à 0.
L' aménagement des pistes et des balais sur des
faces transversales a pour avantage de permettre de donner au
dispositif 1 un très faible encombrement axial.
En variante non représentëe, les pistes et les
balais peuvent être disposés sur des surfaces cylindriques en
regard du stator et du rotor respectivement, ce qui a pour
avantage de permettre un trés faible encombrement radial.
Cette piste annulaire de signal est connectée en
une pluralité de premiers points 20 à la borne d'alimentation
+ et en une pluralité de seconds points 21 en même nombre que
les premiers points 20 à' la borne d'alimentation . Les
premiers points 20 et les seconds points 21 sont placés en
alternance en étant régulièrement répartis angulairement ;
les premiers et seconds points sont au nombre de deux et
deux, et alternent donc avec un dêcalage de 90°. La résisti-
vité de la piste annulaire de signal est suffisamment êlevêe
pour que le potentiel de cette piste varie circonfêrentiel-
lement entre les valeurs maximale Vmax et minimale Vmin du
potentiel de la source de courant continu 55 sans dissipation
i
WO 93/22621 , . , ~ PL°f/~R93/0~1.,~~~;.1
8
notable de puissance. Ce potentiel varie linéairemenç en
fonction de l'angle dont on s'écarte d'un point 20 vers un
point 21 et réciproquement, avec ici une période angulaire de
n.
Bien sûr, en variante non représentée, il peut y
avoir autant de sources continues qu'il y a de couples de
premier/second points.
Les balais d'entrée sont disposés en sorte de
prélever des potentiels présentant, au cours de la rotation
du rotor par rapport au stator, un déphasage électrique de
n/2. C°est pour cela que par rapport à la période angulaire
n, le décalage angulaire a entre ceux-ci vaut (i + ~4) n, i
étant un entier quelconque compris entre 0 et 3. Dans
l'exemple représenté a vaut 225° (voir figure 5).
Les pistes annulaires collectrices 6 et 7 sont
elles aussi conductrices, avE.c de préférence une résistivité
bien plus faible (par exemple dans un rapport 100 à 1000) que
celle de la piste de signal. Elles sont respectivement
connectées aux bornes de sortie A et B.
A titre d'exemple, le dispositif 1 a un diamètre
externe de 45 mm, une épaisseur de 10 mm et le diamètre
interne du manchon est de 10 mm. La piste de signal a un
diamètre de 35 mm, une largeur de 3 mm, une épaisseur de 0,3
mm, une résistance vue des bornes de la source de tension de
10kS2 environ. Ces pistes avaient été réalisées par la Société
EUROFARAD selon une technologie classique des pistes plasti-
ques chargées en particules conductrices.
On comprendra que la borne A connectée à la piste
annulaire collectrice 7 est au même potentiel que le balai
10, donc au même potentiel que le balai 8, et donc au
potentiel de la portion de la piste 5 avec laquelle le balai
8 est en contact au moment considëré. De même la borne B est,
par la piste 5, le balai 11 et le balai 9, au potentiel de la
portion de la piste 5 avec laquelle le balai 9 est en contact
à l'instant considéré.
La piste de signal constitue avec les balais
WO 93122621 PG°f/FHt93/00391
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d'entrée une série annulaire de diviseurs potentiométriques
(en nombre égal au nombre de tronçons de piste séparés par
les points 20 et 21.
Si l' on désigne par ~ la position angulaire du
rotor par rapport au stator, en prenant pour position
d°origine celle de la fïgure 5, alors l'évolution des
tensions aux bornes A et B est donnée par 1a figure 6, avec
des variations entre Vmin et Vmax
En variante, on intercale entre les pistes 6 et
7 et les bornes A et B un élément de traitement de mise en
forme de signal 100 adapté à convertir des signaux alterna
tifs à variation linéaire en signaux alternatifs sinusoïdaux
,"
(par exemple un circuit intégré gênérateur de signaux de type
AD 639 de margue ANALOG DEVICES) . on obtient alors les
courbes de la figure 9. Ceci permet de piloter le courant
dans un moteur biphasé multipolaire (N paires de poles) à
champ sinusoïdal, par exemple du type de celui décrit dans le
document EP-0.312.464. Selon encore une autre variante de
réalisation non représentée, on intercale entre les pistes 6
et 'i et les bornes A et B un écrêteur de signal, auquel cas
on obtient des courbes similaires à celles de la figure 6, à
ceci près que, du fait de l'écretage, ces courbes sont
trapézoïdales. D'autres formes de conversion de forme de
signal peuvent être choisies.
Selon encore une autre variante de réalisation,
on peut faire varier la résistivité de la piste de signal le
long de sa circonférence gràce à quoi on peut obtenir, sans
traitement de mise en forme entre les pistes 6 et 7 et les
bornes A et B, des variations non linéaires des potentiels UA
et UB en fonction de l'angle 8.
On appréciera que les tensions U~ et Ug délivrées
en A et B sont utilisables pour alimenter les deux phases du
moteur 51 dont l'arbre de sortie 50 entraîne le rotor 3.
De manière prêférée, la piste annulaire de signal
5 est unique ; les balais d' entrée, les balais de sortie, les
pistes collectrices et les bornes de sortie sont en un même
WO 93/22521 ~ P0f/FR93/Oi,!~""~~,!
'.~~L~.U~~~
nombre ëgal au nombre des phases du moteur que l'on .veut
alimenter, et le nombre de premiers points (ou de seconds
points) est égal au nombre de paires de pôles du moteur
(d'autres nombres sont possibles sous résérve d'un traitement
5 électronique approprié des signaux de sortie).
C' est ainsi que pour commander un moteur triphasé
à deux paires de pôles, on prévoît de préférence trois pistes
collectrices, trois balais de sortie, et trois balais
d ° entrée 30, 31 et 32 placés dans la disposition de la figure
10 7, avec, pour la piste de signal associée, deux premiers
points connectés à Vmax, deux seconds points connectês à
Venin, disposés à 45, 135, 225 et 31 S° (positionnés sur la
figure 7 pour une bonne compréhension), les balais d'entrée
étant disposés angulairement en des positions 0, 60 et 120°,
c'est-à-dire (i + ~h).n et (i + y3).r~, avec i étant un entier
quelconque, étant précisé que la période angulaire de la
variation de potentiel le long de la piste de signal vaut n,
comme dans la figure 2. Après un écrêtage on obtient ainsi
les courbes UA, UB et UC représentées à la figura 8, corres-
pondant aux potentiels prélevés par les balais 30, 31 et 32
respectivement, avec un déphasage électrique de 120°.
La figure 10 présente une variante de réalisation
et d'implantation d'un dispositif de modulation de tension
conforme à l'invention.
Il y est représenté un moteur biphasé 60 conforme
au document ~P-0.312.464 précité avec deux étages 61 et 62 de
piêces polaires ~- bobines, correspondant aux deux phases à
alimenter. Le dispositif de modulation de tension 63 est
disposé entre ces deux étages. Pour minimiser l'encombrement
axial de ce dispositif, le rotor 64 et le stator 65 sont des
couronnes de section en L respectivement fixées au rotor 66
et au stator 67 du moteur, ayant seulement deux faces en
regard, à savoir une unique face transversale statorique 68
sur laquelle sont ménagées aussi bien la piste de signal 69
que les pistes collectrices 70 et 71 et une unique face
r~ ~~~~Q~~~
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11
transversale rotorique 72 portant les divers balais d'entrée
et de sortie.
Le traitement des signaux UA et UB permet d' obte-
nir une information tachymétrique par dérivation des signaux
et démodulation. Ainsi par exemple, avec des signaux de type
de ceux de la figure 9, on a, Vmin et Vmax symétriques par
rapport à une valeur nulle peuvent s'écrire -Vref et +Vref
LA - Vref SIN 2 6
UB - Vref COS 2 8
1p par dérivation . U'A - 2 Vref 6 COS 2 8
U'B - -2 Vref 8 SIN 2 8
et . V(8) - U'A UB - U'B UA ~ 2(Vref)28
I1 va de soi que la description qui précède n'a
été proposêe qu'à titre d'exemple non limitatif et que de
nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de
l'art sans sortir du cadre de l'inventioa. Ainsi par exemple
le nombre de phases ou de couples de premiers points et
sec~nds points 20 et 21 peut être différent de deux ou trois
(par exemple l, 4, etc ...).
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