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Title:
COMMUTATOR MOTOR COMPRISING A DEVICE FOR CONTROLLING THE ANGULAR POSITION AND ROTATIONAL SPEED OF THE ARMATURE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/045930
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electric commutator motor comprising a housing and a shaft which is solidly connected to a rotor. According to the invention, the housing comprises a stator and supply brushes (100, 200) which can be connected to an electric power source. The rotor is solidly connected to a commutator with bars (L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8) and comprises a set of wound turns, the ends of which are connected to two successive bars of the commutator. The housing comprises at least one additional brush (300) which is positioned close to one of the supply brushes, known as the monitor brush (200), at a distance (D) less than the width (L) of a bar. The additional brush and the monitor brush are of the same thickness and are disposed symmetrically in relation to a diametrical plane of the rotor. The additional brush is connected electrically to a means (310) for counting the pulses generated directly on the additional brush when the monitor brush (200) leaves a bar (L1) of the commutator.

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Inventors:
Boissonnade, Nicolas (9 rue de l'Hôtel de Ville, Thouars, Thouars, F-79100, FR)
Application Number:
PCT/FR2005/002618
Publication Date:
May 04, 2006
Filing Date:
October 21, 2005
Export Citation:
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Assignee:
Carbone, Lorraine Applications Electriques (10 rue Roger Dumoulin, Amiens, Amiens, F-80080, FR)
Boissonnade, Nicolas (9 rue de l'Hôtel de Ville, Thouars, Thouars, F-79100, FR)
International Classes:
H02K23/66
Foreign References:
EP0359855A11990-03-28
US20040113499A12004-06-17
US1884021A1932-10-25
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2002, no. 05 3 May 2002 (2002-05-03)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 016, no. 559 (P - 1455) 30 November 1992 (1992-11-30)
Attorney, Agent or Firm:
Schmidt, Martin Peter (IXAS Conseil, 15 rue Emile Zola, Lyon, F-69002, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. ) Moteur électrique à collecteur comprenant un bâti et un arbre solidaire d'un rotor, ledit bâti comprenant un stator et des balais d'alimentation (100, 200), aptes à être connectés à une source d'alimentation électrique, le rotor étant solidaire d'un collecteur à lames (Ll , L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8) et comprenant un ensemble de spires bobinées dont les extrémités sont reliées à deux lames successives dudit collecteur, ledit bâti comprenant au moins un balai supplémentaire (300) situé à proximité de l'un des balais d'alimentation, appelé balai suivi (200), à une distance (D) inférieure à la largeur (L) d'une lame, ledit balai supplémentaire étant relié à un circuit électrique (310) comprenant un moyen (320) de mesure de tension électrique, caractérisé en ce que ledit balai supplémentaire et ledit balai suivi ont une largeur (E') substantiellement égale et sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor.
2. Moteur électrique à collecteur selon la revendication 1 dans lequel ledit moyen (320) de mesure permet de connaître en continu la tension sur ledit balai supplémentaire (300) et dans lequel le circuit électrique (310) comprend avantageusement également un moyen de traitement de signal utilisant ladite tension mesurée sur le balai supplémentaire et permettant de compter les impulsions de courant générées dans ledit circuit électrique (310), notamment lorsque le balai suivi (200) quitte une lame (Ll ) du collecteur.
3. Moteur électrique à collecteur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le balai supplémentaire (300) est placé en aval du balai suivi (200) (sens de rotation du moteur). 4) Moteur électrique à collecteur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le balai supplémentaire (300) est placé en amont du balai suivi (200) (sens de rotation du moteur). 5 5) Moteur électrique à collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ledit balai suivi (200) a une largeur (E') égale à celle (E) du ou des autres balais d'alimentation (100).
4. Moteur électrique à collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 W à 5 dans lequel la largeur hors tout de l'ensemble formé par le balai supplémentaire et le balai suivi ne dépasse pas la largeur minimale des balais d'alimentation autres que le balai suivi plus la largeur d'une lame, c'estàdire, si EO est la largeur minimale des balais d'alimentation autres que le balai suivi, dans lequel : 15 2.E' + D < EO + L Moteur électrique à collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la largeur maximale des balais d'alimentation (100) autre(s) que le balai suivi (200) et la largeur hors tout de l'ensemble formé par le 20 balai supplémentaire et le balai suivi sont inférieures à une valeur correspondant à la largeur d'une lame plus deux interlames (L+2*e).
5. Moteur électrique à collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit circuit électrique est également relié au balai suivi, et 25 dans lequel le moyen de mesure de tension mesure la différence de potentiel entre le balai suivi et le balai supplémentaire.
6. Moteur électrique à collecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 dans lequel ledit moyen de traitement de signal est un circuit 30 électronique qui utilise la tension mesurée en continu sur le balai sυpplémentαire pour générer un signal et permet de mettre en forme, filtrer et transformer en signal carré ledit signal.
7. Moteur électrique à collecteur selon la revendication 9 dans lequel le signal carré est généré à partir d'un montage comparateur, par exemple à base d'amplificateur opérationnel, où la tension de référence est créée à partir d'une valeur moyenne ou d'un filtrage du signal.
8. 1 } Procédé pour contrôler la position angulaire du rotor d'un moteur à collecteur consistant à compter le nombre de lames du collecteur passant devant un point fixe, ledit point fixe choisi étant un des balais d'alimentation (200), appelé balai suivi, procédé dans lequel on place υn balai supplémentaire (300) à une distance (D) inférieure à la largeur (L) d'une lame et dans lequel on mesure en continu la tension sur ledit balai supplémentaire caractérisé en ce que on dispose ledit balai supplémentaire et ledit balai suivi de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor, lesdits balai supplémentaire et balai suivi ayant une largeur substantiellement égale et étant reliés à l'alimentation de façon à pouvoir jouer des rôles interchangeables quel que soit le sens de rotation du moteur.
9. Procédé selon la revendication 1 ] dans lequel on relie ledit balai supplémentaire (300) à un circuit (310) comprenant un moyen de mesure de tension et un moyen de traitement de signal électrique (S) utilisant ladite tension mesurée sur ledit balai supplémentaire et permettant de compter les impulsions générées à chaque fois qu'une lame du collecteur quitte le balai suivi (200). ] 3) Procédé selon la revendication 1 1 ou 12, dans lequel on mesure la différence de potentiel entre ledit balai suivi et ledit balai supplémentaire, cette différence de potentiel étant ensuite filtrée afin d'en éliminer les perturbations hautes fréquences. 14) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel on génère un signal carré à partir d'un montage comparateur, typiquement à base d'amplificateur opérationnel dans lequel la tension de référence est 5 crée à partir d'une valeur moyenne ou d'un filtrage du signal.
10. Dispositif de contrôle de la position angulaire et de la vitesse de rotation d'un moteur ou d'un générateur à collecteur comprenant des portebalais munis de balais (100, 200) aptes à être connectés à un circuit électrique 10 extérieur et comprenant un balai supplémentaire (300), ledit balai supplémentaire étant placé à côté de l'un des dits balais d'alimentation, appelé balai suivi (200), à une distance (D) inférieure à la largeur (L) d'une lame du collecteur dudit moteur, ledit balai supplémentaire étant relié à un circuit électrique (310) comprenant un moyen de mesure de tension et un /5 moyen de traitement de signal électrique qui utilise la tension ainsi mesurée et permet de compter les impulsions générées lorsqu'une lame (Ll ) quitte le balai suivi (200) caractérisé en ce que ledit balai supplémentaire et le dit balai suivi ont une largeur substantiellement égale, sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor et sont reliés à 20 l'alimentation électrique de façon à pouvoir jouer des rôles interchangeables quel que soit le sens de rotation du moteur.
Description:
MOTEUR A COLLECTEUR MUNI D'UN DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA POSITION ANGULAIRE ET DE LA VITESSE DE ROTATION DE SON INDUIT

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne les moteurs à collecteur munis d'un dispositif de contrôle de la position angulaire de leur induit, appelé également rotor. Elle peut concerner autant les moteurs et actionneurs embarqués dans les véhicules automobiles que les moteurs électriques de plus grande puissance, tels que les moteurs de laminoirs.

ETAT DE LA TECHNIQUE

La détection de la position angulaire d'un moteur électrique permet, avec la maîtrise du sens de rotation, de contrôler le déplacement de pièces mobiles activées par de tels moteurs, par exemple des pièces embarquées dans un véhicule automobile telles qu'une vitre réglable électriquement, un balai d'essuie-glaces, un toit ouvrant, un rétroviseur extérieur, une vanne d'admission de gaz, etc. Elle permet également de contrôler et réguler la vitesse de rotation du moteur électrique, ce dernier étant par exemple le moteur du ventilateur d'un dispositif d'air climatisé ou encore le moteur puissant d'un laminoir. Dans ce dernier cas, la régulation de la vitesse de rotation des cylindres du laminoir est essentielle pour maîtriser la qualité dimensionnelle et l'aspect de surface des brames ou tôles laminées.

Les moteurs électriques employés pour le déplacement de pièces embarquées sont des moteurs à courant continu, qui comportent un bâti et un arbre solidaire du rotor. Le bâti comprend le stator ou inducteur (source de champ magnétique), typiquement un ensemble d'aimants permanents ou un bobinage fixe créant un champ magnétique, et des contacts électriques

glissαnts, aptes à être connectés à une source d'alimentation électrique. Sur le rotor, appelé également induit, sont bobinés des fils conducteurs reliés aux lames d'un collecteur solidaire du rotor. Pour connecter électriquement les bobinages du rotor, les contacts électriques glissants, typiquement des balais 5 en matériau carboné, sont plaqués sur la surface du collecteur, de sorte que, pendant la rotation du rotor, ils sont mis en contact successivement avec chacune des lames du collecteur.

Les balais, en frottant sur les lames du collecteur, amènent un courant dans le w fil conducteur reliant les deux lames en contact avec lesdits balais. Ce courant, combiné au flux magnétique de l'inducteur donne naissance à une force qui entraîne le fil du rotor en rotation (force de Laplace). Les lames, séparées les unes des autres par un isolant, sont agencées de telle façon que la partie du fil conducteur traversant une zone de flux magnétique de polarité donnée soit

/5 traversée par un courant de sens constant malgré la rotation. Cet agencement est rendu possible grâce à une inversion du sens du courant (commutation) qui se produit lorsque les balais passent d'une lame à l'autre, passage qui coïncide au passage d'une partie du fil conducteur qui relie les deux lames en contact avec lesdits balais d'une zone de polarité magnétique donnée à la zone de

20 polarité opposée. Grâce à l'inversion de sens du courant dans ladite partie de fil, celle-ci, parvenue dans la zone de polarité magnétique opposée, reste soumise à une force tangentielle de même sens.

Lors de la commutation, plus précisément lorsqu'une lame quitte le contact

25 d'un balai, une surtension plus ou moins brutale apparaît entre ledit balai et ladite lame. Cette surtension peut se traduire par une étincelle ou encore un arc électrique, ce qui a pour inconvénients d'entraîner une dégradation du balai par électroérosion, d'entraîner la perturbation du milieu par rayonnement électromagnétique et la création d'une surtension dans le circuit

30 d'alimentation.

On pallie à ces inconvénients notamment en choisissant pour les balais un matériau particulièrement bien adapté: par exemple, pour les petits moteurs électriques embarqués dans un véhicule automobile, on utilise souvent une nuance métallographitique frittée, préparée à partir d'un mélange de poudres composées essentiellement de graphite naturel et de cuivre. Une telle nuance présente une faible résistivité électrique, un faible coefficient de frottement, de bonnes propriétés réfractaires et une bonne aptitude à éviter le grippage et la soudure sur le collecteur. On y pallie également en effectuant un agencement spatial particulier des bobines et de leur connexions aux lames. En général, le fil conducteur correspond à un ensemble de spires bobinées en des endroits précis du rotor et dont les extrémités sont reliées à deux lames successives: l'induit peut donc être représenté par un long fil séparé en segments rattachés les uns aux autres par les lames du collecteur. D'autre part, le balai a une largeur supérieure à l'espace isolant deux lames. De la sorte, la commutation s'effectue en deux temps puisque, lors de la mise en contact du balai avec la lame suivante, la boucle associée aux deux lames successives est mise d'abord en court-circuit. Ainsi, la commutation d'une lame de collecteur vers une autre se fait par la mise en court-circuit, au travers de la lame, d'un enroulement bobiné dans une zone précise du rotor. Du fait de ce court-circuit, qui a tendance à annuler le courant dans ledit enroulement, l'inversion de courant est un peu moins brutale. Toutefois, du fait de l'énergie électromagnétique emmagasinée dans l'enroulement, le courant dans ledit enroulement ne peut être inversé ni même annulé rapidement sans qu'il se produise une surtension importante entre les extrémités de l'enroulement.

On connaît dans de tels moteurs différentes techniques pour produire un signal électrique représentatif de la vitesse du moteur ou de sa position angulaire. Un tel signal permet un asservissement de la vitesse de rotation ou un contrôle de la position angulaire du moteur. Ces techniques s'appuient essentiellement sur une mesure des variations du champ magnétique au niveau du collecteur à l'aide d'une sonde à effet Hall et d'un anneau magnétique avec une

- A -

αimαntαtion souvent multipolaire et généralement placée près du collecteur, ou sur la mesure des ondulations des tensions d'alimentation dues à la commutation au niveau des lames de collecteur, décrit par exemple dans le brevet US 6 144 179 (effet "ripple" ) ou encore ajout de capteurs extérieurs, nécessitant une transformation du collecteur et/ou de l'alimentation.

La demande DE 42 29 045 prévoit l'ajout d'une piste d'exploration parallèle au collecteur, raccordée au moins à une lamelle du collecteur mais de longueur circonférentielle plus grande que celle-ci. Un balai supplémentaire est affecté à cette piste d'exploration et permet après mesure des différences de tension entre la piste d'exploration et les lamelles puis analyse de leurs ondulations, d'estimer la vitesse de rotation et la position angulaire. Dans la demande EP 0 753931 , on introduit plusieurs balais additionnels que l'on applique sur le collecteur. La tension prélevée par ces balais additionnels est traitée par un circuit électronique qui en analyse les ondulations. Les demandes EP 0 433 733 et FR 2 791 486 font appel à une analyse du courant rotorique traversant le moteur. EP 0 433 733 analyse les variations introduites par la force contre- électromotrice générée dans l'induit. Dans la demande de brevet FR 2791 486, on introduit un troisième balai électriquement isolé et de largeur supérieure à l'espace compris entre deux lames successives. Ce troisième balai, lorsqu'il est à cheval sur deux lames, court-circuite la bobine associée à ces lames, la modification des courants et champs magnétiques induits qui en résulte créant, dans le courant électrique traversant le moteur, des impulsions dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur.

Chacun de ces agencements de détection présente des inconvénients, en terme de surcoût du moteur: perte de rendement, perte de précision (notamment avec le système à effet Hall où on n'obtient qu'une impulsion par tour), nécessité d'introduire des capteurs spécifiques, de modifier la surface du collecteur (en créant par exemple une piste d'exploration supplémentaire), et/ou encore de connecter des circuits électroniques de traitement destinés à

fournir l'information voulue. De plus, quelle que soit la solution choisie, l'interprétation des signaux relevés dans un moteur électrique est toujours délicate, étant donné que des signaux parasites liés à la formation d'arcs, aux perturbations de commutation polaire et aux modifications des courants et 5 champs induits, se superposent aux signaux utiles.

PROBLEME POSE

La demanderesse a cherché une solution technique permettant de mesurer la /o position angulaire de l'axe associé au rotor d'un moteur électrique à collecteur qui ne nécessite pas l'introduction d'un dispositif complexe ou coûteux et qui délivre des signaux utiles faciles à interpréter.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

/5

Un premier objet de l'invention est un moteur électrique à collecteur comprenant un bâti et un arbre solidaire d'un rotor, ledit bâti comprenant un stator et des balais d'alimentation, aptes à être connectés à une source d'alimentation électrique, le rotor étant solidaire d'un collecteur à lames et

20 comprenant un ensemble de spires bobinées dont les extrémités sont reliées à deux lames successives dudit collecteur, ledit bâti comprenant au moins un balai supplémentaire situé à proximité de l'un des balais d'alimentation, que nous appellerons par la suite "balai suivi", à une distance inférieure à la largeur d'une lame, ledit balai supplémentaire étant relié à un circuit électrique

25 comprenant un moyen de mesure de tension électrique, caractérisé en ce que ledit balai supplémentaire et ledit balai suivi ont une largeur substantiellement égale et sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor.

30 De la sorte, le balai supplémentaire est au moins périodiquement en contact avec le balai d'alimentation dit "balai suivi" par le biais d'une lame. Il est de plus

relié à un circuit électrique qui comprend un moyen de mesure de tension qui permet de connaître en continu la tension sur ledit balai supplémentaire. Le circuit est agencé de telle sorte que l'on connaisse la tension sur le balai supplémentaire par rapport à une autre tension: une tension de référence constante [la masse par exemple) ou encore celle de l'un des balais d'alimentation (le balai suivi par exemple). Le circuit électrique comprend avantageusement également un moyen de traitement de signal utilisant ladite tension mesurée sur le balai supplémentaire et permettant de compter les impulsions de courant générées dans ledit circuit électrique auquel est relié le balai supplémentaire, notamment lorsque le balai suivi quitte une lame du collecteur.

Le dispositif équipant le moteur selon l'invention est simple et permet de mesurer la position angulaire du moteur par comptage des lames du collecteur. Le principe suivi consiste à utiliser l'alternance des signaux électriques différents transmis sur le balai supplémentaire et qui apparaissent d'une part lorsque le balai d'alimentation suivi et le balai supplémentaire sont en contact par le biais d'une lame et d'autre part lorsqu'une lame perd le contact avec le balai suivi. En effet, une surtension apparaît lorsqu'une lame quitte un balai d'alimentation. Cette surtension se traduit par une impulsion de courant générée dans le circuit électrique auquel est relié le balai supplémentaire. C'est ce^te impulsion de courant qui, par exemple après mise en forme, filtration et transformation, permet de compter les lames du collecteur et par conséquent de mesurer la position et/ou d'asservir la vitesse du moteur. Le balai d'alimentation est appelé dans le cadre de cette invention "balai suivi" puisqu'on lui adjoint un balai supplémentaire qui est placé à sa proximité et qui, associé à un circuit de mesure, permet de suivre en permanence les signaux électriques transmis et notamment les impulsions générées lorsqu'une lame quitte le balai suivi.

Le bαlαi supplémentaire est placé à proximité du balai suivi. Le balai supplémentaire et le balai suivi sont distants l'un de l'autre d'une distance inférieure à la largeur d'une lame, de sorte que le balai supplémentaire se trouve périodiquement au même potentiel que le balai suivi par l'intermédiaire d'une lame commune.

Le balai supplémentaire peut être placé après ou avant ce dernier, par rapport au sens de la rotation du moteur.

Lorsqu'il est placé après le balai suivi (en aval), une lame du collecteur rencontre d'abord le balai d'alimentation puis le balai supplémentaire. Lorsqu'elle quitte le balai suivi, elle est encore en contact avec le balai supplémentaire. L'impulsion correspond essentiellement à la décharge de la self-inductance de la portion du bobinage induit qui est reliée à la lame encore en contact avec le balai d'alimentation et à celle qui vient de perdre le contact avec ledit balai.

Lorsqu'il est placé avant le balai suivi (en amont), une lame du collecteur rencontre d'abord le balai supplémentaire puis le balai suivi. L'impulsion résulte de la transition d'un état où les deux balais sont sur la même lame et où la différence de potentiel entre les balais est par conséquent nulle, à un état où les deux balais sont sur des lames différentes et où la différence de potentiel entrée les balais correspond essentiellement à la chute de potentiel générée par le courant induit qui traverse la bobine reliée aux deux susdites lames. L'impulsion correspond essentiellement à la traversée d'un courant dans le segment de l'induit qui est relié à la lame encore en contact avec le balai d'alimentation et à celle qui vient de perdre le contact avec ledit balai. Dans ce cas, le signal est plus faible, mais reste exploitable.

Le balai supplémentaire et le balai suivi pourraient avoir des largeurs différentes: le balai suivi est un balai d'alimentation dont la largeur doit être

αussi proche que possible de celle du ou des autres balais d'alimentation et le balai supplémentaire pourrait être plus étroit puisqu'il sert essentiellement à recueillir l'impulsion créée lorsqu'une lame quitte le balai suivi. Toutefois, selon l'invention, le balai supplémentaire et le balai suivi ont une largeur substantiellement égale et sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor de façon à pouvoir jouer des rôles interchangeables quel que soit le sens de rotation du moteur.

Le choix du sens de rotation s'effectue simplement par exemple à l'aide de transistors ou d'un relais correctement branché. Le balai supplémentaire devient alors le balai suivi et le balai suivi , sur lequel est branché également le circuit comprenant le moyen de mesure de tension et le moyen de traitement de signal, devient le balai supplémentaire. Les deux balais sont donc reliés à la fois à l'alimentation et au circuit de mesure et de traitement de signal, de telle sorte que le système peut être réversible (fonctionnement dans les deux sens de rotation). Dans une telle configuration, le circuit de mesure et de traitement de signal relie le balai suivi et le balai supplémentaire, qui de ce fait est en permanence non isolé électriquement.

De plus, une telle configuration améliore la compatibilité électromagnétique du moteur, en particulier lorsque le balai supplémentaire est placé en aval du balai suivi (c'est-à-dire après celui-ci dans le sens de rotation). Le balai suivi et le balai supplémentaire sont reliés par ledit circuit électrique et, lorsque le balai suivi quitte une lame qui reste toutefois en contact avec le balai supplémentaire, une partie du courant de décharge de l'enroulement associé à ces deux lames est dérivé vers ce circuit électrique, ce qui réduit l'amplitude de la surtension.

Selon l'invention, le balai supplémentaire et le balai suivi ont une largeur substantiellement égale. Celle-ci doit être suffisante pour que les balais résistent à l'usure aussi bien que les autres balais. Toutefois, il est recommandé que la

lαrgeur hors tout de l'ensemble formé par le balai supplémentaire et le balai suivi ne soif pas trop importante, car le rendement dυ moteur diminue avec le nombre de segments dυ bobinage mis en court circuit et celui-ci est d'autant plus important que le balai suivi et le balai supplémentaire sont larges. Dans la mesure du possible, on visera une largeur hors tout de l'ensemble formé par le balai supplémentaire et Je balai suivi aussi proche que possible de la largeur du oυ des autres balais d'alimentation. Typiquement, cette largeur hors tout ne devrait pas dépasser la largeur minimale des balais d'alimentation autres que îe balai suivi (en générai tous ces balais ont la même largeur) plus la largeur d'une lame. De la sorte, on court-circuite au maximum deux lames.

L'espace séparant le balai suivi et le balai supplémentaire doit être inférieur à fa largeur d'une lame pour qu'il y ait à chaque passage d'une lame mise en commun du potentiel et possibilité de décharge dans le balai supplémentaire dès que la lame quitte le balai d'alimentation. Pour des raisons évidentes d'encombrement et de rendement du moteur, l'espace séparant le balai suivi et le balai supplémentaire doit être le plus faible possible, mais suffisamment important pour éviter la création d'arcs intempestif entre ceux-ci. Cette distance dépend notamment du matériau utilisé pour les balais et de l'isolant employé (air, papier, plastique, ...) et peut varier entre quelques centièmes de millimètres et quelques millimètres. Typiquement, elle est de quelques dixièmes de millimètre pour un moteur à courant continu de 12 volts.

Le balai supplémentaire est relié électriquement à un moyen de mesure de tension et à un moyen de traitement de signal électrique. Le signal électrique à traiter est construit à partir de la tension sur le balai supplémentaire. On peut par exemple prendre comme signal la différence de potentiel entre le balai supplémentaire et la masse. Mais, de préférence, le balai supplémentaire et balai suivi étant utilisables de façon interchangeable quel que soif le sens de rotation du moteur, le signal traité et mis en forme utilise la différence de potentiel entre le balai suivi et le balai supplémentaire.

Le nombre et la disposition spatiale des balais dépend de la multipolarité du moteur électrique. L'invention peut s'appliquer à tout type de moteur à courant continu multipolaire, typiquement à 2, 4 ou 6 pôles, qu'il s'agisse d'un petit moteur embarqué dans un véhicule automobile ou d'un moteur de laminoir. Nous illustrerons par la suite l'invention par un mode de réalisation particulier : un moteur à courant continu bipolaire, représentatif des moteurs des équipements embarqués dans les véhicules automobiles.

Sur un tel moteur, les balais d'alimentation sont disposés classiquement sur la circonférence du moteur de sorte qu'ils sont diamétralement opposés. Cette disposition permet une répartition systématique des courants sur chacune des voies d'enroulement du bobinage. La ligne neutre du moteur correspond à la frontière entre ces zones, c'est-à-dire aux endroits diamétralement opposés où la polarité magnétique change de signe. C'est à cet endroit que le courant doit s'inverser et les balais doivent être placés au plus près de la ligne neutre.

Le moteur à courant continu bipolaire réalisé selon cette modalité de l'invention présente un balai supplémentaire et un balai suivi symétriques par rapport au plan diamétral du rotor, ce dernier coïncidant avec le plan de symétrie de l'autre balai d'alimentation. Dans ce mode de réalisation préféré, la largeur du balai d'alimentation - ou, plus généralement, la largeur maximale des balais d'alimentation autres que le balai suivi - et la largeur hors tout du groupe constitué par le balai suivi et le balai supplémentaire sont inférieures à la largeur d'une lame plus deux interlames (espaces séparant les lames).

Si le balai supplémentaire est placé en aval du balai suivi et qu'une lame quitte le balai suivi, un courant de décharge apparaît dans le segment de bobinage de l'induit qui est relié à la lame encore en contact avec le balai suivi et à celle qui a perdu le contact avec ledit balai suivi. Elle se traduit par une variation brutale de tension sur balai supplémentaire, et par conséquent par une

variation brutale de la différence de potentiel entre le balai supplémentaire et le balai suivi. Toutefois, le balai suivi et le balai supplémentaire étant reliés par un circuit résistif, les perturbations électromagnétiques du moteur sont amoindries.

Si le balai supplémentaire est placé en amont du balai suivi et qu'une lame quitte le balai suivi, une impulsion de plus faible amplitude est recueillie dans le circuit de mesure. Les ondulations recueillies sont suffisantes pour permettre, après filtrage et transformation, le comptage des lames.

Un autre objet selon l'invention est un procédé pour contrôler la position angulaire et la vitesse de rotation du rotor d'un moteur à collecteur, typiquement d'un moteur à courant continu, consistant à compter le nombre de lames du collecteur passant devant un point fixe, caractérisé en ce que le point fixe choisi est un des balais d'alimentation, appelé balai suivi, en ce que l'on place un balai supplémentaire à proximité dudit balai suivi, à une distance inférieure à la largeur d'une lame et en ce qu'on mesure en continu la tension sur ledit balai supplémentaire. Pour effectuer cette mesure en continu, on relie le balai supplémentaire à un circuit comprenant un moyen de mesure de tension et un moyen de traitement de signal électrique utilisant ladite tension. Le signal est traité de telle sorte que l'on puisse compter les impulsions générées à chaque fois qu'une lame du collecteur quitte le balai suivi.

Le balai supplémentaire peut être placé après ou avant le balai suivi, par rapport au sens de la rotation du moteur. Si le balai supplémentaire est placé en aval du balai suivi et qu'une lame quitte le balai suivi, un courant de décharge apparaît dans le segment de l'induit qui est relié à la lame encore en contacf avec ledit balai suivi et à celle qui perd le contact avec ledit balai suivi.

Le moyen de traitement est avantageusement un circuit électronique qui utilise la tension mesurée en continu sur le balai supplémentaire pour générer un signal et qui permet de mettre en forme, filtrer et transformer en signal carré ledit signal. De la sorte, il permet de compter les lames du collecteur et par conséquent contrôler la position angulaire du moteur et/ou sa vitesse de rotation.

Selon l'invention, le balai supplémentaire et le balai suivi ont une largeur substantiellement égale et sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor de façon à pouvoir jouer des rôles interchangeables quel que soit le sens de rotation du moteur.

Le signal recueilli sur le balai supplémentaire est comparé à la tension d'alimentation du balai suivi. On mesure ainsi la différence de potentiel entre le balai suivi et le balai supplémentaire. Cette différence de potentiel est ensuite filtrée afin d'en éliminer les perturbations hautes fréquences. Un comparateur, à base d'amplificateur opérationnel peut être utilisé pour générer un signal carré. Le filtrage du signal, ainsi que la tension de référencé pour la commutation de l'amplificateur opérationnel et par conséquent la création du signal carré sont déterminés en fonction du moteur. Ce choix permet de faire fonctionner le système même lorsque le moteur s'arrête, c'est à dire lorsqu'il n'est plus alimenté, mais toujours entraîné en rotation par son inertie.

On peut, par exemple, filtrer juste les hautes fréquences superposées au signal ou filtrer le signal de sorte de n'avoir plus que la fréquence fondamentale de ce dernier. Ces moyens sont aisés à mettre en oeuvre et la génération d'un signal carré à partir de ces moyens est très facile. De plus, on peut facilement imaginer la mise en oeuvre de tout système permettant de modifier le rapport cyclique, l'amplitude, etc. du signal carré.

La tension de référence pour la commutation de l'amplificateur opérationnel est par exemple créée à partir du signal lui-même en le filtrant. Cette opération permet le fonctionnement du système même lorsque le moteur s'arrête. Il serait par conséquent possible de mesurer la position d'un moteur fonctionnant en génératrice. Enfin, un montage monostable peut éventuellement être ajouté pour régler le rapport cyclique du signal carré généré.

Un autre objet selon l'invention est un dispositif de contrôle de la position angulaire et de la vitesse de rotation d'un moteur à collecteur comprenant des porte-balais munis de balais aptes à être connectés à un circuit électrique extérieur et comprenant un balai supplémentaire, caractérisé en ce que ledit balai supplémentaire est placé à côté de l'un desdits balais aptes à être connectés à un circuit électrique extérieur, appelé balai suivi, à une distance inférieure à la largeur d'une lame du collecteur dudit moteur et en ce que ledit balai supplémentaire est relié à un circuit électrique comprenant un moyen de mesure de tension et un moyen de traitement de signal électrique utilisant la tension ainsi mesurée et permettant de compter les impulsions générées lorsqu'une lame quitte le balai suivi.

Les balais aptes à être connectés à un circuit électrique extérieur sont en général les balais d'alimentation aptes à être connectés au circuit d'alimentation. Mais, comme nous le verrons plus loin, le système peut fonctionner de la même façon lorsque le moteur n'est pas alimenté, c'est-à- dire lorsqu'il fonctionne en génératrice. Dans ce cas, le circuit extérieur peut être un circuit électrique alimenté par la génératrice.

Le balai supplémentaire peut être placé après ou avant le balai suivi, par rapport au sens de la rotation du rotor. Si le balai supplémentaire est placé en aval du balai suivi et qu'une lame quitte le balai suivi, un courant de décharge

αppαrαît dans le segment de l'induit qui est relié à la lame encore en contact avec ledit balai suivi et à celle qui perd le contact avec ledit balai suivi.

Le balai supplémentaire est relié à un circuit électrique qui comprend un moyen de mesure de tension et un moyen de traitement de signal électrique, typiquement un circuit électronique, utilisant la tension mesurée et permettant de compter les impulsions générées lorsqu'une lame quitte le balai suivi. A l'aide d'un circuit électronique approprié, les impulsions sont mises en forme, filtrées et transformées de façon à pouvoir compter les lames du collecteur,

Selon l'invention, le balai supplémentaire et le balai suivi ont une largeur substantiellement égale et sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan diamétral du rotor de façon à pouvoir jouer des rôles " interchangeables quel que soit le sens de rotation du moteur. Le dispositif permettant l'inversion du sens de rotation peut très simplement être réalisé, à partir, par exemple, de transistors ou de relais.

Le circuit électronique permet de traiter le signal recueilli sur le balai supplémentaire en comparant ce dernier à la tension d'alimentation du balai suivi. On mesure ainsi la différence de potentiel entre le balai suivi et le balai supplémentaire et cette différence de potentiel est ensuite filtrée afin d'en éliminer les perturbations hautes fréquences. Le filtrage du signal, ainsi que la tension de référence pour la commutation de l'amplificateur opérationnel par conséquent la création du signal carré sont déterminés en fonction du moteur électrique concerné.

Ce circuit électronique doit pouvoir être opérationnel quel que soit le sens de rotation du moteur. On peut appliquer les solutions utilisées actuellement pour inverser le sens de rotation du moteur, seul le câblage des transistors ou relais est légèrement modifié, ce qui n'entraîne aucun surcoût de réalisation.

Avec un tel dispositif, on peut faire fonctionner le système même lorsque le moteur s'arrête, c'est à dire lorsqu'il n'est plus alimenté, mais toujours entraîné en rotation par son inertie. Il est donc également possible de contrôler la position angulaire du rotor lorsque le moteur fonctionne en génératrice, c'est- 5 à-dire que, en l'absence d'alimentation et si le rotor est entraîné en rotation, ce système permet également de compter les impulsions générées par le passage des lames. On peut ainsi utiliser un tel dispositif par exemple dans des capteurs de déplacement.

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FIGURES

Les figures la, I b et Ic sont trois illustrations schématiques représentant les positions respectives de certaines parties du rotor (sections du bobinage et/ou

/5 lames du collecteur) et de certaines parties liées au bâti du moteur [pôles de l'inducteur, balais). La figure la illustre schématiquement une coupe transversale du collecteur et des balais d'un moteur à collecteur classique comportant 8 lames. La figure I b illustre une projection cylindrique de l'inducteur, des balais, du bobinage et du collecteur. La figure Ic illustre une zo projection cylindrique du collecteur et des balais, les spires des sections de bobine étant, pour plus de clarté, signalées par un symbole sans signification spatiale. Pour illustrer l'invention, nous avons choisi un bobinage imbriqué. Nous aurions pu choisir d'autres types de bobinages (des bobinages ondulés par exemple) sur lesquels l'invention peut également s'appliquer, car le principe de

25 fonctionnement reste le même.

La figure 2 illustre schématiquement une coupe transversale du collecteur et des balais d'un moteur à collecteur selon l'invention.

Les figures 3α, 3b et 3c illustrent (schémαtiquement pour les sections de bobine) une projection cylindrique du collecteur et des balais d'un moteur à collecteur selon l'invention, dans trois configurations spatiales différentes.

La figure 4 présente schématiquement l'évolution au cours du temps de la différence de tension mesurée entre le balai d'alimentation et le balai supplémentaire.

Description d'un moteur à courant continu bi-polaire (Figure 1)

Le moteur bipolaire de la figure 1 est un moteur électrique à collecteur comprenant un bâti et un arbre solidaire d'un rotor, ledit bâti comprenant un stator et les balais d'alimentation 100 et 110 connectés à une source d'alimentation électrique par le circuit 120. Le rotor est solidaire d'un collecteur muni ici de 8 lames (Ll, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8) et comprenant un ensemble de spires bobinées dont les extrémités sont reliées à deux lames successives du collecteur. Comme on peut le voir sur la figure Ic, ces spires sont les segments d'un même bobinage, liés entre eux par l'intermédiaire des lames. Sur la figure 1 b, on peut voir que les segment sont bobinés sur le rotor de telle sorte que les parties montantes traversées par un courant montant (respectivement 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8) et les parties descendantes traversées par un courant descendant (respectivement 9,10, 11, 12, 13, 14 et 15) se trouvent dans deux zones polaires (50 et 60), traversées chacune par un champ magnétique de sens opposé.

Les parties 1, 16, 8 et 9 se trouvent à proximité de la ligne neutre: au cours de la rotation R, elles passent d'une zone polaire à l'autre et font l'objet au cours de ce passage d'une inversion de courant par commutation des balais sur les lames.

En général, le balai est légèrement plus large que la lame, sa largeur E étant typiquement égale à la somme de la largeur L de la lame et de 2 interlames e.

Cette condition géométrique préférée (E = L + 2e) facilite la commutation du courant dans l'induit.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION - illustrée par un dispositif de comptage des lames dans un moteur à courant continu bipolaire (Figures 2, 3a, 3b, 3c et 4)

La figure 2 illustre schématiquement les lames du collecteur et les balais selon l'invention: Le collecteur est identique au collecteur du moteur à courant continu classique représenté en figure 1 : l'invention n'impose pas une modification du rotor. L'un des deux balais d'alimentation, le balai 100, n'est pas modifié, l'autre est remplacé par un couple de balais, le balai suivi 200 remplissant la fonction d'alimentation électrique et le balai supplémentaire 300, placé à proximité du balai suivi 200, à une distance D inférieure à la largeur L d'une lame et est situé après celui-ci dans le sens de rotation R du moteur. Le balai supplémentaire 300 est relié électriquement au balai suivi 200 par un circuit 310 comprenant un dispositif 320 de mesure et de traitement d'un signal électrique S.

Les figures 2 et 3a) illustrent les lames et des balais dans une première configuration, semblable à celle rencontrée dans le cas classique illustré sur la figure I c. Le balai d'alimentation 100 alimente l'induit par l'intermédiaire d'une première lame L5, diamétralement opposée à la lame LI qui est en contact avec l'autre balai d'alimentation 200 et également avec le balai supplémentaire 300. Le balai supplémentaire 300 et le balai suivi 200 se trouvant au même potentiel que la lame LI, la différence de potentiel mesurée vaut 0V. Le signal Sa, recentré, est égal à la moitié des tensions appliquées sur le balai suivi et sur le balai supplémentaire. En l'occurrence, il est ici égal à la moitié de la tension d'alimentation du moteur, soit 6V pour un moteur de 12V.

Dαns le cadre de cet exemple, le balai d'alimentation 200 et le balai supplémentaire 300 ont la même largeur E', choisie de telle sorte que 2*E' + D = E

Le balai supplémentaire 300 et le balai suivi 200 ont la même épaisseur E' et sont disposés de façon symétrique de façon à pouvoir jouer des rôles interchangeables quel que soit le sens de rotation du moteur: si l'on inverse la polarité de la borne d'alimentation pour inverser la rotation, il suffit de brancher le pôle inversé sur l'autre balai; de la sorte, le balai supplémentaire 300 devient balai d'alimentation et le balai d'alimentation 200 devient le balai supplémentaire sur lequel on branche le circuit de mesure et de traitement de signal.

Sur la figure 3b), on voit qu'en poursuivant la rotation, la lame L2 arrive au contact du balai d'alimentation 200, ce qui a pour conséquence de mettre en court-circuit le segment du bobinage comprenant les parties 8 et 15. Le balai

100 met également en court-circuit le segment comprenant les parties 7 et 16 par la mise en contact des lames L5 et L6. Lorsque la lame LI quitte le balai d'alimentation 200, une impulsion est créée et se décharge dans le balai 300. La différence de tension entre le balai 200 et le balai 300 est récupérée pour générer le signal de sortie. Le pic apparaissant sur le signal Sb de la figure 3b correspond à l'impulsion directement générée par la décharge de la section du bobinage de l'induit qui est reliée à la lame L2 encore en contact avec ledit balai d'alimentation 200 et à celle LI qui perd le contact avec ledit balai d'alimentation 200.

Puis la lame L5 quitte le balai 100. Le balai supplémentaire 300 se retrouve à nouveau en contact avec le balai d'alimentation 200 grâce à la lame suivante L2. Le signal présenté en Sc correspond à la faible différence de potentiel existant aux extrémités du segment du bobinage comprenant les parties 8 et 15.

Un nouveau cycle recommence.