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L'invention concerne un dispositif d'entraînement équipé d'un moteur à collecteur, en particulier d'un moteur de faible puis- sance. De tels moteurs, en particulier des moteurs à courant continua sont fréquemment utilisés pour l'entraînement de supports d'enregis- trement dans des dispositifs portatifs pour l'enregistrement ou la restitution de la parole et (ou) de la musique. Pour de telles applications et d'autres encore, la vitesse de rotation doit rester aussi constante que possible. En générale le moteur est alimenté par une batterie; il développe alors toujours son couple maximum et entraîne un régulateur mécanique qui dissipe la plus grande partie de l'énergie mécanique engendrée, de sorte que le rende- ment du dispositif d'entraînement est médiocre.
Aussi, la batterie
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doit-elle débiter un courant d'intensité assez élevée, ce oui augmen- ete leopoids de l'appareil et (ou) réduit notablement la durée de vie de la batterie.
Il serait avantageux de disposer à cet effet d'un dispo- sitif d'entraînement dont la vitesse de rotation soit indépendante du cole de freinage., entre limites déterminées de ce dernier, sans qu'il en.résulte une perte d'énergie mécanique.
L'invention fournit un tel dispositif. Celui-ci présente la pafticularité que le tra jet électrode émettrice - électrode collectrice d'au mains un transistor est monté en série avec un enroulement d'excitation shunt du moteur,respectivement en parallèle avec l'enroulement d'excitation en série du moteur et que, selon l'intensité du courant d'induit, respectivement du courant du moteur, ce transistor est commandé d'une manière telle que lors d'un accrois- sement de l'intensité du courant d'induit, respectivement du moteur, ce transistor réduise l'excitation de champ de ce moteur, d'une manière telle que la vitesse de rotation du moteur soit stabilisée entre des limites déterminées, nonobstant les variations dans le couple résistant.
Il y a lieu de noter qu'une réduction'de l'excitation du moteur à collecteur, lors d'un accroissement du courant d'induit, peut également être obtenue d'une autre manière, par exemple, à l'aide d'un tube électronique. Toutefois, un tel réglage à l'aide d'un tube électronique est économiquement peu intéressant, car pendant le fonctionnement, la cathode du tube doit être constamment chauffée, ce qui complique le montage et entraine en outre une perte de puissance nullement négligeable. De plus, les tubes à vide poussé ont une grande résistance interne, de sorte que dans de nombreux cas, il faut nécessairement augmenter notablement la tension de la batterie, ce qui entraîne la transformation en chaleur d'une grande partie du courent électrioue dans le tube.
Un tube à gaz ne convient pas un tel réglage d'un moteur à courant- continu, étant donné qu'il reste conducteur après son amorçage.
Par contre, le transistor permet d'obtenir un bon volage
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entre des limites déterminées du couple de freinage sans requérir un montage compliqué et sans entraîner de grandes pertes électriques.
En pratique, les seules pertes d'énergie électrique se produisent dans l'impédance de commande, et par l'emploi d'un second transistor, amplifiant la tension de commande, et d'une assez basse impédance de commande,ces pertes peuvent être maintenues très petites.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
Dans l'exemple de réalisation représentée sur la fig . 1, on utilise un moteur shunt à courant continu, comportant un induit
1, un enroulement d'excitation 2 et des balais 3 et 4. La résis- tance propre de l'enroulement d'induit est indiquée en 5 et la résistance propre de l'enroulement d'excitation en 6. L'enroulement d'excitation et la résistance 6 sont montés en série dans le trajet électrode émettrice -électrode collectrice d'un transistor. L"élec- trode' émettrice du transistor est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance en série 8 et d'une résistance de commande 9 à la borne ' positive d'une batterie d'alimentation 10.
La résistance 9 est égale- ment traversée par le courant d'induit et la batterie 10 comporte une,prise 11 à laquelle est connectée l'électrode de base du transis- tor 7.
En première approximation, le flux magnétique µ , engendré par l'enroulement d'excitation 2, est proportionnel à l'intensité du courant Is dans cet enroulement d'excitation,, pour autant que la courbe de magnétisation du stator ferromagnétique et du rotor ferro- magnétique 1 ne soit pas trou incurvée. La tension Ea aux bornes de l'induit est également une fonction linéaire du champ et du nombre de tours n, de sorte que pour le moteur shunt s'appliquent les équations
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EMI4.1
c- 1 Li7 . n () (1)
Va - Ea + Ia r5 (2) M = c2 Ia (3) dans lesquelles c1 est une contraste, n le nombre de tours du moteur, Va la tension de la batterie 10, R la valeur de la résistance propre de 1''enroulement d'induit, M le couple du moteur, Ia le courant d'induit et c2 une autre constante.
Lorsque le couple M augmente, le courant d'induit Ia augmente proportionnellement. Par suite de la chute de tension dans la résistance d'induit R, la force électromotrice Ea agissant dans l'induit diminue, de sorte que le nombre de tours n devient :
EMI4.2
Dans les petits moteurs, la valeur choisie de la résistance d'induit R constitue un compromis entre la valeur optimum en ce qui concerne les dimensions du moteur, et une petite valeur désirée, en ce qui concerne les variations de la vitesse de rotation n. Dans les moteurs assez grands, une partie de l'enroulement d'excitation est souvent montée en série avec l'enroulement d'induit, d'une manière telle que le champ diminue lors d'un accroissement du courant d'induit.
Cet agencement permet d'obtenir, dans une gamme déterminée des valeurs du couple de freinage une compensation partielle, de sorte que la vitesse de rotation varie moins. Pour de petits moteurs, cette répartition de l'enroulement d'excitation est cependant in- désirable, car, il en résulte une augmentation des dimensions du moteur et de plus, le câblage du moteur devient plus compliqué. En outre,un tel moteur dit" compound " ne s'adapte pas très facilement et dans certains cas il est difficilement réglable. Aussi, un réglage de l'extérieur est-il souvent avantageux.
Un réglage suivant le principe connu de l'affaiblissement du champ, lors d'un accroissement du couple fourni et de l'intensité
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du courant d'induit Ia peut être réalisé facilement à 'l'aide d'un transistor. Lorsque dans l'exemple représenté sur la fig. 1, la tension de la partie de la batterie insérée entre l'électrode de base du transistor 7 et le balai 3 du moteur est Va, que la tension de l'autre partie de cette batterie est Vb et que le courant de l'électrode émettrice du transistor 7 est coupé pour une tension électrode émettrice - électrode de base de 0,1 V, on a:
EMI5.1
Courant d'excitation I s = I k Ig + I = IS (1 ) Tension d'arrêt Ue¯ = 09Z volt.
Dans le circuit du moteur, les relations sont alors données par les équations suivantes:
EMI5.2
Au circuit du transistor s'applique l'équation:
EMI5.3
Vb - 0.1= Ia.R9 + Is (1 + ,) (R + R9) (6) Les équations j4), (5) et (6) donnent: n = Va + Vb - Ta(R5 + R911 (1 + -aT) (RB + R9) (7) ci (Vb - 0,1 - Ia . R9) On en déduit que la vitesse de rotation n est indépendante du couple M et du courant d'induit Ia lorsque :
EMI5.4
Des équations (7) et (8) on déduit la vitesse de rotation constante:
EMI5.5
qui dépend également de R.
A l'aide des équations (8) et (9) et tenant compte de la con- dition que R doit être beaucoup plus grand cue R9, on détermine R8, R9 et la partie de la tension d'alimentation à droite de la prise 11 (Vb) Le couple M = c2 Is Ia peut s'exprimer, à l'aide de l'équation (6) en fonction de l'intensité du courant d'induit Ia de la manière suivante:
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Le couple maximum est :
EMI6.2
et est développé pour un courant d'induit:
EMI6.3
Lorsque Vb est beaucoup plus gr-and que la tension d'arrêt Ve-b de,par exemple, 0,1 volt, l'équation (8) se simplifie et la condition pour maintenir une vitesse de rotation constante devient: Va/Vb = R5/R9, de sorte que la vitesse de rotation est indépendante de la tension Va + Vb de la batterie d'alimentation.
Pour une charge pratiquement constante des deux parties de la batterie, le rapport Va/Vb reste constant et la vitesse de rotation choisie ne varie pas lors du vieillissement et de l'épuisement de la batterie; seul le couple disponible diminue quelque peu. C'est là une propriété précieuse pour des appareils portatifs à alimentation par batterie.
Comme exemple pratique, on admet que le moteur a une résistance d'induit R5 de 15 ohms et une résistance d'excitation R6 de 1500 ohms et que, pour une tension Va de 4,5 V, la puissance absor- bée est de 0,15 V alors que la vitesse de rotation est de 3000 tours par minute. On trouve alors, pour le courant total I, une intensité de 33 mA, pour le courant d'induit Ia, une intensité de 30 mA et pour le courant d'excitation Is une intensité de 3 mA. Les pertes dans le cuivre sont alors de 13,5 + 13,5 = 27 mW, de sorte au'en négligeant les pertes dans le fer, la puissance fournie est de 150 - 27 = 123 mW ou 1250 g cm/sec. A la vitesse de rotation de 3000 tours par minute, cela correspond à un couple M de 1250/2#. 50 = 3,9 gcm.
Dans ces conditions, les équations (1), (2), respectivement (3) donnent pour les valeurs constantes c1 et c2
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En admettant que la tension Vb ait une valeur de 1,5 V, l'équation (8) donne pour la résistance de réglage 9, la valeur R9 = 4,6 #
Pour la vitesse de rotation constante désirée de 3000 tours par minute, d'après l'équation (9), la résistance 8 a une valeur R8 = 307 ohms. Cette valeur satisfait à la condition R8 R9 Le couple M est égal à 32,25 (4,5 - 15 1.) Ia et atteint a a une valeur maximum Mmax de 10,9 gem pour Ia 45,/2x15 = 0,150 A.
La puissance totale débitée par la batterie 10 est alors égale à 6 V x 151,7 mA ou 910 mW, de sorte que le rendement du dispositif d'entraînement est d'environ 37% .
A la mise en circuit, le courant d'induit atteint une intensité élevée, de sorte que le champ est fortement affaibli ou est même entièrement supprimé et, dans certaines conditions, le moteur ne démarre pas ou difficilement. En pratique, le démarrage n'est souvent rendu possible que par une aimantation rémanente suffisamment élevée du stator. Toutefois, il est recommandable de prendre des dispositions spéciales pour empêcher un trop faible affaiblissement du champ d'excitation pendant la pointe du courant d'enclenchement et pendant le démarrage. Dans l'exemple de réalisa- tion représenté sur la fig. 1, les résistances 8 et 9 sont shuntées à cet effet par le montage en série d'un condensateur 12 et d'une résistance 13. Ce condensateur provoque un retard de la réduction du courant d'excitation.
Par suite de la chute de tension dans la résistance 9, le transistor ne peut être bloqué, avant que le con- densateur 12 ne se soit chargé par les résistances 8 et 13 et que la tension résultante Ve-b entre l'électrode émettrice et l'électrode de base soit devenue inférieure à 0,1 V. Cette tension résultante est constituée par la tension Vb de la partie de droite de la
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batterie 10 et par la tension aux bornes de la résistance 13 et du condensateur 12. Le transistor 7 ne peut, de ce fait, être bloqué que pendant un certain temps, qui est déterminé par la constante de temps du réseau constitué par le condensateur 12 et les résis- tances 8 et 13, montées en séries avec le montage en parallèle des résistances 5 et 9.
Le moteur dispose donc du temps requis pour r 'démarrer avec un assez bon couple de démarrage; toutefois, si le moteur ne démarre pas, le champ d'excitation diminue très rapide- ment et, dans certaines circonstances, il est entièrement ou presque entièrement supprimé, tandis que le courant de démarrage de grande intensité subsiste inutilement dans l'enroulement d'induit et dans la résistance 9, ce qui peut être indésirable dans certains cas.
Le montage représenté sur la fig. 2 fournit une autre solution du problème de démarrage d'un moteur shunt. Sur toutes les figures, les éléments correspondants portent les mêmes chiffres de référence. Dans la variante représentée sur la fig. 2, le conden- sateur 12 et la résistance 13 sont omis. Un bon démarrage s'obtient par une limitation du courant d'induit I1 Cette limitation s'ob- tient à l'aide d'un second transistor, dont le trajet électrode émettrice - électrode collectrice est inséré dans le circuit de courant du rotor 1, et dont la base a une polarisation dans le sens direct, de sorte que ce transistor est'toujours conducteur.
Une résistance 15 est insérée dans le circuit de base du transistor 14, de sorte que le courant de base ne peut dépasser Va/R15 L'intensité du courant d'induit Ia, qui est égale à celle du courant de l'électrode collectrice du transistor 14, est donc limitée à une valeur
V I. == a'14 !La. De ce fait, la chute de tension dans la résismaxe 14 R15 tance 9 ne peut, dans le cas d'un choix judicieux de la résistance
15, atteindre une valeur suffisaient grande pour bloquer le transis- tor 7. Il subsiste une excitation de champ, de sorte que le moteur peut démarrer sans la moindre difficulté.
Lorsque le couple de freinage devient si grand que le moteur s'arrête, la limitation de
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son courant d'induit par le transistor 14 est également avantageuse; on évite ainsi dans certains ca.s, un échauffèrent inadmissible du rotor 1 et/ou de la résistance 9. Un tel arrêt du moteur peut se produire facilement et souvent dans les appareils de restitution ou d'enregistrement du son, et se produit même 'systématiquement dans certains changeurs de disques automatiques. Cela provoque, dans les appareillages portatifs, unechargenullement négligeable de la batterie d'alimentation. Ces charges additionnelles sont élimi- nées dans la variante représentée sur la fige 2.
La fig. 3 représente une seconde variante de l'exemple de réalisation représenté sur la fige 1. Le dispostif de démarrage y est constitué par une résistance 16 à coefficient de température positif assez élevé, résistance qui shunte la résistance de réglage 9. Au moment du démarrage, le montage en parallèle des résistances 9 et 16 a une valeur assez petite, de sorte que la chute de tension dans ces résistances est trop petite pour bloquer le transistor 7.
Toutefois, avec un certain retard, la résistance 16 chauffe, de sorte que 5a valeur devient beaucoup plus grande que celle de la résistance 9, et le réglage de l'excitation de champ du-moteur n'est pratiquement plus assuré que par la dernière résistance mentionnée.
La fig. 4 montre un second exemple de réalisation dans lequel la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu excita- tion série est obtenue suivant le même principe de l'affaiblissement du champ. Dans cet exemple de réalisation, le moteur comporte un rotor 1, qui est alimenté, par l'intermédiaire des balais 3 et 4 montés en série avec un enroulement d'excitation 2 et une résistance de réglage 9, par une partie de la batterie 10. Le balais 3 est relié directement à la borne négative de la batterie 10 et une borne de l'enroulement d'excitation 2 est connectée à une prise 11 de la batterie. La résistance de réglage se trouve entre les balais et l'autre borne de l'enroulement d'excitation 2.
Comme dans les exemples de réalisation précédents, les résistances 5 et 6 représentent les résistances naturelles de l'enroulement d'induit du rotor 1, respec-
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tivement. la résistance propre de l'enroulement d'excitation 2. Le trajet électrode émettrice - électrode collectrice du transistor 7 est monté en parallèle avec l'enroulement d'excitation 2 à résistance 6 et l'électrode de base de ce transistor est connectée à la résis- tance de réglage 9, par l'intermédiaire d'un diviseur de tension, constitué par des résistances 17 et 18.
Les résistances 17 et 18 sont grandes, voire très grandes, par rapport à la résistance 9, de sorte que la résistance 9 est pratiquement traversée par le courant d'induit Ia La chute de tension dans cette résistance augmente donc proportionnellement au courant d'induit Ia et une fraction de cette chute de tension, fraction qui est déterminée par le rapport des résistances 16 et 18, est transmise à l'électrode de base du transistor 7.
Cette électrode de base est polarisée dans le sens d'arrêt, à l'aide d'une partie de la batterie 10, de sorte que le transistor 7 devient conducteur à partir d'une valeur déterminée du courant Ia, Delamême manière que dans l'exemple représenté sur la fig. 1, on peut provoquer que, dans ce cas, l'obtention d'une vitesse de rotation constante est possible lorsque l'intensité du courant de collecteur du transistor 7 est une fonction linéaire a.Ia-b du courant d'induit Ia, expression dans laquelle a et b sont des constantes. La vitesse de rotation reste alors constante, lors- que le rapport b/a-1 et le rapport de la tension d'alimentation 'Va à la somme de la résistance d'induit R5 et de la résistance de réglage R9 sont égaux entre eux.
Par l'introduction des expressions obtenues du montage représenté sur la fig. 4 pour les constantes a et b, on obtient:
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On en déduit le couple maximum
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EMI11.1
et l'intensité correspondante du courant d'induit et du courant total
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Lorsqu'on choisit pour Vb, R5 et n les mêmes valeurs que dans l'exemple représente sur la fig. l, et pour R6 = R5 = 15 #, on obtient e = 0,035 et c2 = 3500. Le couple maximum. M est égal à 985 gcm pour un courant Ia, total de 0,15 A. Ces valeurs sont ap- paramment égales à celles obtenues avec le moteur shunt. Toutefois, en pratique, le réglage est beaucoup moins favorable, car seule une fraction de la tension de réglage engendrée aux bornes de la résistance 9, peut être appliquée à l'électrode de base du transis- tor 7.
De plus, la vitesse de rotation d'un moteur à excitation série, au point de fonctionnement, dépend bien plus de l'intensité du champ d'excitation et donc de l'intensité du courant dans l'en- roulement d'excitation 2, de sorte que l'intensité de ce courant doit être beaucoup mieux stabilisée à l'aide du courant traversant le trajet électrode émettrice - électrode collectrice du transistor 7 pour une même variation tolérée de la vitesse de rotation. Pour le couple maximum, dans le moteur shunt, le courant d'excitation, et partant le courant de l'électrode collectrice du transistor, est réduit de 3 à 1,67 mA. Par contre, le courant d'excitation du moteur à excitation série varie entre 30 et 132 mA. L'intensité du courant de collecteur du transistor augmente de 0 jusqu'à 150 -132 = 18 mA.
Sa résistance ohmique doit être comparable à celle de l'enroulement d'excitation (15) de sorte qu'il faudra recourir à un transistor de grande puissance. Une réduction désirée de la valeur de la résis- tance de réglage R9 et un réglage beaucoup plus avantageux peuvent être obtenus par l'utilisation d'un transistor amplificateur addi- tionnel.
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La fig. 5 représente un exemple de réalisation d'un dispo- sitif comportant un moteur en série et un amplificateur à transistor additionnel. Dans cet exemple de réalisation, la résistance de ré- glage 9 est insérée entre les noeuds de l'enroulement d'excitation 2 et de l'électrode émettrice du transistor 7 d'une part et la borne positive de la batterie 10 d'autre part. La somme de la chute de tension dans la résistance 9 et de la tension Vb de la partie de droite de la batterie 10 est comprise entre l'électrode émettrice et l'électrode de base du transistor 19. L'électrode de base du transistor 7, dont le trajet électrode émettrice - électrode collectrice shunte l'enroulement d'excitation 2, est reliée direc- tement à l'électrode collectrice du transistor 19.
Le circuit de l'électrode collectrice du transistor 19 comporte une résistance de charge 20, par l'intermédiaire de laquelle son électrode collectrice et l'électrode de base du transistor 7 sont reliées, par l'intermé- diaire du circuit de courant d'induit du moteur, à la borne néga- tive de la batterie 10 .Le courant dans le circuit de charge du transistor 19 est très faible comparativement au courant d'induit Ia, de sorte que ce dernier est pratiquement égal au courant dans la résistance de réglage 9.
Lorsque l'intensité de ce dernier courant augmente, le transistor 19 est influencé par la chute de tension dans la résistance 9, dans le sens de l'arrêt. De ce fait, l'intensité du courant dans la résistance 20 diminue fortement, de même que celle du courant dans le trajet électrode émettrice - électrode collectrice du transistor 19, de sorte que le potentiel se produisant à l'électrode de base du transistor 7 devient plus fortement négatif et que ce transistor devient plus fortement con- ducteur, le tout de façon que le courant dans son trajet électrode émettrice - électrode collectrice provoque une diminution de l'exci- tation de champ du moteur.
Le réglage de cet exemple de réalisation est évidemment beaucoup plus avantageux que celui considéré dans l'exemple représenté sur la fige 4. De plus, la forme de réalisation représentée sur la fig. 5 offre l'avantage que la partie de droite
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de la batterie de tension Vb est chargée approximativement par le même courant que la partie de gauche de cette batterie, ce qui n'est pas le cas dans l'exemple représenté sur la fig. 4.
L'exemple de réalisation représenté sur la fige 6 peut être réduit sans plus de celui représenté sur la fige 4. Cette forme de réalisation comporte deux transistors de types de conduc- tion opposés 7 et 7', dont les électrodes correspondantes sont reliées en parallèle. Le rotor 1 et l'enroulement d'excitation 2 avec l'enroulement de compensation 2' du moteur en série sont alimentés en série avec une résistance de réglage 9 par une source de tension 21. Cette source de tension peut fournir une tension continue de polarité quelconque ou une tension alternative. Dans le cas d'une source de tension alternative, les transistors 7 et 7' travaillent alternativement. Les électrodes émettrices des deux transistors sont connectées à une prise 11 d'un diviseur de tension qui est constitué par les résistances 22 et 23.
Des moteurs univer- sels s'utilisent actuellement moins, de sorte que cet exemple de réalisation est de moindre importance. En principe, le réglage obtenable est moins bon encore que dans l'exemple de réalisation représenté sur la fig. 4, par suite du couplage à contre-réaction de courant se produisant par l'intermédiaire de la résistance 22 et de l'alimentation de l'excitation par une tension plus élevée que celle des électrodes émettrices.
L'exemple de réalisation représenté sur la fig. 7 présente enfin la possibilité d'utilisation du montage représenté sur la fig. 5 au réglage d'un moteur à courant alternatif à excitation série. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la fig. 7, le diviseur de tension 22, 23 de la fig. 6 est remplacé par un auto- transformateur 24 et la résistance de réglage de toutes les formes de réalisation décrites jusqu'à présent est remplacée par une bobine de self de réglage 25. L'atténuation de l'excitation de champ est obtenue à l'aide de deux transistors 7 et 7', de types de conduction
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opporés, montés en parallèle. Ces transistors sont réglés par deux transistors 19 et 19', de types de conduction opposés, montés en @ parallèle.
En principe, les dispositifs d'entraînement représentés sur les figs. 6 ou 7 peuvent également être obtenus à l'aide d'un moteur à répulsion ou d'un moteur à rotor en court-circuit- Dans le premier cas, on pourrait insérer une impédance de réglage au lieu du court-circuit usuel entre les balais et connecter les trajets élec- trode émettrice - électrode collectrice de deux transistors de types de conduction opposés, en série avec l'enroulement d'excitation. Dans le second cas il faudrait monter 1'impédance de réglage en série avec l'enroulement du stator et insérer les trajets électrode émet- trice - électrode collectrice des deux transistors de types de con- duction opposés, entre les balais dits d'excitation comme shunt.
Enfin, la fig. 8 montre un sixième exemple de réalisation avec un moteur à courant continu, excité par un aimant permanent
27. Cet aimant forme la culasse d'un stator ferromagnétique 26. Sur les bras de ce stator est prévu un enroulement de réglage 2", qui est inséré dans le circuit de collecteur d'un transistor 7, d'une manière telle que le courant dans cet enroulement contrecarre le flux magnétique de l'aimant 27. Entre le circuit de courant d'induit du moteur alimenté par une batterie 10 et la borne positi- ve de cette batterie est insérée une résistance de réglage 9.
L'électrode émettrice du transistor 7 est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 8, à une prise 11 de la batterie 10, tandis que son électrode de base est connectée à la borne positive de l'ex- trémité de la résistance 9, opposée à la batterie 10. Pour obtenir un bon démarrage, un condensateur 12 est inséré entre l'électrode émettrice et l'électrode de base. Le moteur présente une caracté- ristique shunt. Lors d'un accroissement du courant d'induite la chute de tension dans la résistance de réglage 9 augmente. Lorsque cette chute de tension dépasse la tension de la batterie de droite de la batterie 10, l'électrode de base du transistor 7 devient négative par rapport à l'électrode émettrice de ce transistor.
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Le transistor devient alors conducteur et le flux d'excitation est réduit par le courant dans -.''enroulement de réglage 2".
Comme le.prouvent les divers exemples de réalisation décrits, l'invention fournit des montages faciles,, simples et particulièrement efficaces pour le réglage, en particulier pour maintenir constante la vitesse de rotation .d'un moteur à collecteur, surtout d'un petit moteur, par l'effet exercé sur son excitation de champ par un ou plusieurs transistors.
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The invention relates to a drive device equipped with a commutator motor, in particular a low power motor. Such motors, in particular direct current motors, are frequently used for driving recording media in portable devices for recording or reproducing speech and / or music. For such and other applications, the rotational speed should be kept as constant as possible. In general, the motor is powered by a battery; it then always develops its maximum torque and drives a mechanical regulator which dissipates most of the mechanical energy generated, so that the efficiency of the drive device is mediocre.
Also, the battery
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should it deliver a high enough current, this will increase the weight of the device and / or significantly reduce the battery life.
It would be advantageous to have for this purpose a drive device whose speed of rotation is independent of the braking school., Between determined limits of the latter, without resulting in a loss of mechanical energy. .
The invention provides such a device. This has the pafticularity that the tra jet emitter electrode - collector electrode of a transistor is connected in series with a shunt excitation winding of the motor, respectively in parallel with the excitation winding in series of the motor and that, depending on the intensity of the armature current, respectively of the motor current, this transistor is controlled in such a way that when the intensity of the armature current, respectively of the motor, increases, this transistor reduces the field excitation of this motor, in such a way that the rotational speed of the motor is stabilized between determined limits, notwithstanding the variations in the resistive torque.
It should be noted that a reduction in the excitation of the commutator motor, upon increasing the armature current, can also be achieved in another way, for example by using an electron tube. However, such an adjustment using an electron tube is economically unattractive, because during operation, the cathode of the tube must be constantly heated, which complicates the assembly and also leads to a loss of power which is not negligible. In addition, high vacuum tubes have a large internal resistance, so that in many cases it is necessary to increase the voltage of the battery noticeably, which leads to the transformation into heat of a large part of the electric current in the battery. tube.
A gas tube is not suitable for such tuning of a DC motor, since it remains conductive after ignition.
On the other hand, the transistor makes it possible to obtain a good flight
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between determined limits of the braking torque without requiring complicated assembly and without causing large electrical losses.
In practice, the only losses of electrical energy occur in the control impedance, and by the use of a second transistor, amplifying the control voltage, and of a fairly low control impedance, these losses can be kept very small.
The description of the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the features which emerge both from the text and from the drawing, of course, forming part of the invention.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a direct current shunt motor is used, comprising an armature
1, an excitation winding 2 and brushes 3 and 4. The inherent resistance of the armature winding is indicated at 5 and the inherent resistance of the excitation winding at 6. The winding of excitation and resistor 6 are connected in series in the emitter-collector electrode path of a transistor. The emitter electrode of the transistor is connected, via a series resistor 8 and a control resistor 9, to the positive terminal of a supply battery 10.
The resistance 9 is also crossed by the armature current and the battery 10 has a socket 11 to which the base electrode of the transistor 7 is connected.
As a first approximation, the magnetic flux µ, generated by the excitation winding 2, is proportional to the intensity of the current Is in this excitation winding ,, provided that the magnetization curve of the ferromagnetic stator and of the ferromagnetic rotor - magnetic 1 is not curved hole. The voltage Ea across the armature is also a linear function of the field and the number of turns n, so that for the shunt motor the equations apply
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EMI4.1
c- 1 Li7. n () (1)
Va - Ea + Ia r5 (2) M = c2 Ia (3) in which c1 is a contrast, n the number of revolutions of the motor, Va the voltage of the battery 10, R the value of the natural resistance of 1 '' armature winding, M the motor torque, Ia the armature current and c2 another constant.
When the torque M increases, the armature current Ia increases proportionally. As a result of the voltage drop in the armature resistance R, the electromotive force Ea acting in the armature decreases, so that the number of turns n becomes:
EMI4.2
In small motors, the chosen value of the armature resistance R constitutes a compromise between the optimum value as regards the dimensions of the motor, and a small desired value, as regards the variations of the speed of rotation n. In larger motors, part of the excitation winding is often mounted in series with the armature winding, such that the field decreases with increasing armature current.
This arrangement makes it possible to obtain, within a determined range of values of the braking torque, a partial compensation, so that the speed of rotation varies less. For small motors, however, this distribution of the excitation winding is undesirable, since it results in an increase in the dimensions of the motor and furthermore the wiring of the motor becomes more complicated. In addition, such a so-called "compound" motor does not adapt very easily and in certain cases it is difficult to adjust. Therefore, adjustment from the outside is often advantageous.
Adjustment according to the known principle of field weakening, when the torque supplied and the intensity increase
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armature current Ia can be easily achieved using a transistor. When in the example shown in FIG. 1, the voltage of the part of the battery inserted between the base electrode of the transistor 7 and the brush 3 of the motor is Va, the voltage of the other part of this battery is Vb, and the current of the electrode emitter of transistor 7 is cut for an emitter electrode - base electrode voltage of 0.1 V, we have:
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Excitation current I s = I k Ig + I = IS (1) Stop voltage Uē = 09Z volt.
In the motor circuit, the relationships are then given by the following equations:
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To the circuit of the transistor applies the equation:
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Vb - 0.1 = Ia.R9 + Is (1 +,) (R + R9) (6) Equations j4), (5) and (6) give: n = Va + Vb - Ta (R5 + R911 (1 + -aT) (RB + R9) (7) ci (Vb - 0.1 - Ia. R9) We deduce that the rotation speed n is independent of the torque M and of the armature current Ia when:
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From equations (7) and (8) we deduce the constant speed of rotation:
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which also depends on R.
Using equations (8) and (9) and taking into account the condition that R must be much greater cue R9, we determine R8, R9 and the part of the supply voltage to the right of the outlet 11 (Vb) The couple M = c2 Is Ia can be expressed, using equation (6) as a function of the intensity of the armature current Ia as follows:
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The maximum torque is:
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and is developed for an armature current:
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When Vb is much larger than the stop voltage Ve-b of, for example, 0.1 volts, equation (8) is simplified and the condition for maintaining a constant rotational speed becomes: Va / Vb = R5 / R9, so that the rotation speed is independent of the voltage Va + Vb of the supply battery.
For a practically constant charge of the two parts of the battery, the ratio Va / Vb remains constant and the speed of rotation chosen does not vary during the aging and exhaustion of the battery; only the available torque decreases somewhat. This is a valuable property for portable battery powered devices.
As a practical example, it is assumed that the motor has an armature resistance R5 of 15 ohms and an excitation resistance R6 of 1500 ohms and that, for a voltage Va of 4.5 V, the power absorbed is 0 , 15 V while the speed of rotation is 3000 revolutions per minute. We then find, for the total current I, an intensity of 33 mA, for the armature current Ia, an intensity of 30 mA and for the excitation current Is an intensity of 3 mA. The losses in the copper are then 13.5 + 13.5 = 27 mW, so that ignoring the losses in the iron, the power supplied is 150 - 27 = 123 mW or 1250 g cm / sec. At the rotation speed of 3000 revolutions per minute, this corresponds to a torque M of 1250/2 #. 50 = 3.9 gcm.
Under these conditions, equations (1), (2), respectively (3) give for the constant values c1 and c2
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Assuming that the voltage Vb has a value of 1.5 V, equation (8) gives for the adjustment resistor 9, the value R9 = 4.6 #
For the desired constant rotational speed of 3000 rpm, from equation (9), resistor 8 has a value R8 = 307 ohms. This value satisfies the condition R8 R9 The torque M is equal to 32.25 (4.5 - 15 1.) Ia and reached a has a maximum value Mmax of 10.9 gem for Ia 45, / 2x15 = 0.150 A.
The total power delivered by the battery 10 is then equal to 6 V x 151.7 mA or 910 mW, so that the efficiency of the drive device is approximately 37%.
When switching on, the armature current reaches a high intensity, so that the field is strongly weakened or is even completely suppressed and, under certain conditions, the motor does not or hardly start. In practice, starting is often only made possible by a sufficiently high remanent magnetization of the stator. However, it is advisable to take special measures to prevent too little weakening of the excitation field during the peak inrush current and during starting. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, resistors 8 and 9 are shunted for this purpose by the series connection of a capacitor 12 and a resistor 13. This capacitor causes a delay in the reduction of the excitation current.
As a result of the voltage drop across resistor 9, the transistor cannot be turned off, until capacitor 12 is charged through resistors 8 and 13 and the resulting voltage Ve-b between the emitting electrode and the base electrode has become less than 0.1 V. This resulting voltage is constituted by the voltage Vb of the right part of the
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battery 10 and by the voltage across resistor 13 and capacitor 12. Transistor 7 can therefore only be blocked for a certain time, which is determined by the time constant of the network formed by capacitor 12 and resistors 8 and 13, mounted in series with the parallel connection of resistors 5 and 9.
The engine therefore has the time required to start again with a fairly good starting torque; however, if the motor does not start, the excitation field decreases very rapidly and in some circumstances is entirely or almost entirely suppressed, while the large starting current remains unnecessarily in the winding. induced and in resistance 9, which may be undesirable in some cases.
The assembly shown in FIG. 2 provides another solution to the problem of starting a shunt motor. In all the figures, the corresponding elements bear the same reference numerals. In the variant shown in FIG. 2, capacitor 12 and resistor 13 are omitted. A good start is obtained by limiting the armature current I1 This limitation is obtained by means of a second transistor, the emitting electrode - collecting electrode path of which is inserted in the current circuit of rotor 1 , and whose base has a forward bias, so that this transistor is still conductive.
A resistor 15 is inserted in the base circuit of the transistor 14, so that the base current cannot exceed Va / R15 The intensity of the armature current Ia, which is equal to that of the current of the collecting electrode of the transistor 14, is therefore limited to a value
V I. == a'14! La. Therefore, the voltage drop in the resismax 14 R15 tance 9 cannot, in the case of a judicious choice of the resistance
15, reaching a value large enough to block the transistor 7. There remains a field excitation, so that the motor can be started without any difficulty.
When the braking torque becomes so large that the motor stops, the limitation of
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its armature current through transistor 14 is also advantageous; this avoids in certain cases an inadmissible heating of the rotor 1 and / or of the resistor 9. Such a stoppage of the motor can easily and often occur in sound reproduction or recording devices, and even occurs 'systematically in some automatic disc changers. This causes, in portable equipment, a completely negligible charge of the supply battery. These additional charges are eliminated in the variant shown in fig 2.
Fig. 3 represents a second variant of the exemplary embodiment shown in fig 1. The starting device therein consists of a resistor 16 with a fairly high positive temperature coefficient, a resistor which bypasses the adjustment resistor 9. At the time of starting, the parallel connection of resistors 9 and 16 has a fairly small value, so that the voltage drop across these resistors is too small to block transistor 7.
However, with a certain delay, the resistor 16 heats up, so that the value becomes much larger than that of the resistor 9, and the adjustment of the field excitation of the motor is practically no longer ensured except by the last one. resistance mentioned.
Fig. 4 shows a second exemplary embodiment in which the speed of rotation of a series-excited DC motor is obtained according to the same principle of field weakening. In this exemplary embodiment, the motor comprises a rotor 1, which is supplied, via the brushes 3 and 4 mounted in series with an excitation winding 2 and an adjustment resistor 9, by part of the battery 10 The brush 3 is connected directly to the negative terminal of the battery 10 and one terminal of the excitation winding 2 is connected to a socket 11 of the battery. The adjustment resistor is located between the brushes and the other terminal of field winding 2.
As in the previous embodiments, resistors 5 and 6 represent the natural resistances of the armature winding of rotor 1, respectively.
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tively. the own resistance of the excitation winding 2. The emitting electrode - collector electrode path of transistor 7 is connected in parallel with the excitation winding 2 at resistance 6 and the base electrode of this transistor is connected to the adjustment resistor 9, by means of a voltage divider, consisting of resistors 17 and 18.
The resistors 17 and 18 are large, or even very large, compared to the resistance 9, so that the resistance 9 is practically crossed by the armature current Ia The voltage drop in this resistance therefore increases proportionally to the armature current Ia and a fraction of this voltage drop, which fraction is determined by the ratio of resistors 16 and 18, is transmitted to the base electrode of transistor 7.
This base electrode is polarized in the stop direction, with the aid of a part of the battery 10, so that the transistor 7 becomes conductive from a determined value of the current Ia, in the same way as in the example shown in FIG. 1, it can be caused that, in this case, obtaining a constant speed of rotation is possible when the intensity of the collector current of the transistor 7 is a linear function a.Ia-b of the armature current Ia, expression in which a and b are constants. The speed of rotation then remains constant, when the ratio b / a-1 and the ratio of the supply voltage 'Va to the sum of the armature resistance R5 and the adjustment resistance R9 are equal to each other. .
By introducing the expressions obtained from the assembly shown in FIG. 4 for the constants a and b, we obtain:
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We deduce the maximum torque
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and the corresponding intensity of the armature current and the total current
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When the same values are chosen for Vb, R5 and n as in the example shown in FIG. l, and for R6 = R5 = 15 #, we obtain e = 0.035 and c2 = 3500. The maximum torque. M is equal to 985 gcm for a current Ia, total of 0.15 A. These values are apparently equal to those obtained with the shunt motor. However, in practice, the adjustment is much less favorable, since only a fraction of the adjustment voltage generated at the terminals of resistor 9 can be applied to the base electrode of transistor 7.
In addition, the speed of rotation of a motor with series excitation, at the operating point, depends much more on the intensity of the excitation field and therefore on the intensity of the current in the excitation winding 2 , so that the intensity of this current must be stabilized much better by means of the current passing through the emitting electrode - collecting electrode path of transistor 7 for the same tolerated variation in the speed of rotation. For the maximum torque, in the shunt motor, the excitation current, and hence the current of the collector electrode of the transistor, is reduced from 3 to 1.67 mA. On the other hand, the excitation current of the series excitation motor varies between 30 and 132 mA. The intensity of the collector current of the transistor increases from 0 to 150 -132 = 18 mA.
Its ohmic resistance must be comparable to that of the excitation winding (15) so that a high power transistor will have to be used. A desired reduction in the value of the tuning resistor R9 and a much more advantageous tuning can be achieved by the use of an additional amplifier transistor.
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Fig. 5 represents an exemplary embodiment of a device comprising a motor in series and an additional transistor amplifier. In this exemplary embodiment, the adjustment resistor 9 is inserted between the nodes of the excitation winding 2 and of the emitting electrode of the transistor 7 on the one hand and the positive terminal of the battery 10 on the other hand. go. The sum of the voltage drop across resistor 9 and of the voltage Vb of the right-hand side of battery 10 is between the emitting electrode and the base electrode of transistor 19. The base electrode of transistor 7 , whose emitting electrode - collecting electrode path shunts the excitation winding 2, is connected directly to the collecting electrode of transistor 19.
The circuit of the collector electrode of transistor 19 comprises a load resistor 20, through which its collector electrode and the base electrode of transistor 7 are connected, through the intermediary of the current circuit. armature of the motor, at the negative terminal of the battery 10. The current in the load circuit of the transistor 19 is very low compared to the armature current Ia, so that the latter is practically equal to the current in the resistance of setting 9.
When the intensity of the latter current increases, the transistor 19 is influenced by the voltage drop in the resistor 9, in the direction of stop. As a result, the intensity of the current in resistor 20 decreases sharply, as well as that of the current in the emitting electrode - collector electrode path of transistor 19, so that the potential occurring at the base electrode of transistor 7 becomes more strongly negative and this transistor becomes more strongly conductive, the whole so that the current in its emitting electrode - collecting electrode path causes a decrease in the field excitation of the motor.
The adjustment of this exemplary embodiment is obviously much more advantageous than that considered in the example shown in fig. 4. In addition, the embodiment shown in FIG. 5 offers the advantage that the right part
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of the battery of voltage Vb is charged approximately by the same current as the left part of this battery, which is not the case in the example shown in FIG. 4.
The exemplary embodiment shown in fig 6 can be reduced without more than that shown in fig 4. This embodiment comprises two transistors of opposite conduction types 7 and 7 ', the corresponding electrodes of which are connected in parallel. . The rotor 1 and the excitation winding 2 with the compensation winding 2 'of the motor in series are supplied in series with an adjustment resistor 9 by a voltage source 21. This voltage source can provide a DC voltage of any polarity or an alternating voltage. In the case of an alternating voltage source, the transistors 7 and 7 'work alternately. The emitting electrodes of the two transistors are connected to a tap 11 of a voltage divider which is formed by resistors 22 and 23.
Universal motors are currently less used, so this exemplary embodiment is of less importance. In principle, the obtainable adjustment is even worse than in the exemplary embodiment shown in FIG. 4, as a result of the current feedback coupling occurring through resistor 22 and the supply of the excitation by a voltage higher than that of the emitting electrodes.
The exemplary embodiment shown in FIG. 7 finally presents the possibility of using the assembly shown in FIG. 5 to the adjustment of an AC motor with series excitation. In the exemplary embodiment shown in FIG. 7, the voltage divider 22, 23 of FIG. 6 is replaced by an autotransformer 24 and the tuning resistor of all the embodiments described so far is replaced by a tuning choke coil 25. The attenuation of the field excitation is obtained at the using two transistors 7 and 7 ', of conduction types
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opporous, mounted in parallel. These transistors are regulated by two transistors 19 and 19 ', of opposite conduction types, connected in parallel.
In principle, the drive devices shown in figs. 6 or 7 can also be obtained using a repulsion motor or a short-circuited rotor motor - In the first case, one could insert a tuning impedance instead of the usual short-circuit between the brushes and connect the emitter-collector electrode paths of two transistors of opposite conduction types, in series with the excitation winding. In the second case, it would be necessary to mount the control impedance in series with the winding of the stator and to insert the emitting electrode - collecting electrode paths of the two transistors of opposite conduct types, between the so-called excitation brushes as. shunt.
Finally, fig. 8 shows a sixth embodiment with a direct current motor, excited by a permanent magnet
27. This magnet forms the yoke of a ferromagnetic stator 26. On the arms of this stator is provided a 2 "regulating winding, which is inserted into the collector circuit of a transistor 7, in such a way that the current in this winding counteracts the magnetic flux of magnet 27. Between the armature current circuit of the motor supplied by a battery 10 and the positive terminal of this battery is inserted an adjustment resistor 9.
The emitting electrode of transistor 7 is connected, via a resistor 8, to a socket 11 of battery 10, while its base electrode is connected to the positive terminal of the end of the resistor. 9, opposite the battery 10. To obtain a good start, a capacitor 12 is inserted between the emitter electrode and the base electrode. The motor has a shunt characteristic. When the armature current increases, the voltage drop across the adjustment resistor 9 increases. When this voltage drop exceeds the voltage of the right battery of battery 10, the base electrode of transistor 7 becomes negative with respect to the emitting electrode of this transistor.
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The transistor then becomes conductive and the excitation flux is reduced by the current in -. "Control winding 2".
As evidenced by the various embodiments described, the invention provides easy, simple and particularly effective assemblies for adjustment, in particular to maintain constant the speed of rotation of a commutator motor, especially a small one. motor, by the effect exerted on its field excitation by one or more transistors.