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Embrayage électronique pour outils électriques à vitesse variable. Demande de brevet italien No. 23931 A/82 du 26 octobre 1982 en faveur de STAR UTENSILI ELETTRICI S. p. A.
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Cette invention porte sur un embrayage électronique à différents niveaux de fonctionnement pour outils électriques-a vitesse variable. L'invention porte particulièrement sur des embrayages électroniques améliorés pour outils électriques portatifs disposant de deux vitesses (ou davantage) au choix.
Le terme d'embrayage électronique"signi- fie normalement un dispositif apte à couper automatiquement la tension fournie au-moteur électrique d'entraînement chaque fois que le couple appliqué à l'axe d'induit du moteur dépasse une valeur maximale prédéterminée.
Les emBrayages-électroniques couramment utilisés sont basés-sur des-dispositifs électroniques appelés klixons, qui entrent en jeu lorsque le courant absorBé par l'outil dépasse un certain seuil de fonctionnement (courant d'ouverture du linon). Ce seuil de fonctionnement peut varier jusqu'à 20% et dépend de la tolérance des dispositifs utilisés.
Il y a une tendance à fournir des outils électriques et en particulier des-perceuses disposant de deux vitesses de fonctionnement ou davantage, et pour lesquels doivent correspondre deux niveaux de fonctionnement de l'embrayage électronique. Un embrayage électronique disposant de deux niveaux de fonctionnement ou davantage exigerait cependant, s'il était équipé de klixons adéquats, un grand nombre de tels dispositifs et un nombre correspondant de commutateurs sélecteurs égal au nombre de niveaux de fonctionnement, ce qui augmenterait beaucoup le prix de l'outil.
La présente invention a pour but de réaliser un embrayage électronique à vitesse variable disposant de plusieurs niveaux de fonctionnement conformément aux diverses vitesses, sans que ceci entraîne des complications particulières de structure ou augmente les frais de fabrication.
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Selon la présente invention, l'on dispose d'un embrayage électronique pour outil électronique équipé d'-un dispositif variateur de vitesse permettant le choix entre différentes vitesses de fonctionnement et caractérisé par un capteur de tension apte à produire une tension proportionnelle au courant absorbé par le moteur de l'outil, un générateur de tension de référence, un comparateur étudié pour comparer lesdites tensions entre elles, un circuit électronique étudié pour couper l'alimentation fournie au moteur lorsque le comparateur indique que ladite tension produite par le capteur dépasse ladite tension de référence, et un-moyen pour faire varier proportionnellement l'une ou l'autre desdites tensions en fonction de la vitesse de fonctionnement choisis pour l'outil.
5ans multiplier les circuits nécessaires, mais en réglant simplement le facteur de proportionnalité du capteur de tension ou la valeur de la tension de référence, par exemple au-moyen d'un diviseur de tension comprenant un certain nomBre de résistance qui peuvent être mises en ou hors-circuit au-moyen de contacts électriques commandés par le dispositif variateur de vitesse des outils, il devient donc possible de disposer d'un embrayage électronique à deux niveaux de fonctionnement ou davantage, conformément aux diverses vitesses de fonctionnement qu'il est possible de choisir.
L'on doit aussi remarquer que, le capteur de tension produisant une tension proportionnelle au courant et à la température de l'outil, l'embrayage électronique est à même de réaliser une adaptation automatique à la température du moteur pour fonctionner à de plus Basses valeurs lorsqu'augmente la température et vice-versa.
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La description détatllée des versions préférées, les-revendications L et les dessins joints-rendront Beaucoup plus évidents les autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention.
Dans les dessins joints- : - la figure 1 est un schéma électrique simplifié d'une première version de l'embrayage électronique conforme à l'invention, et - la figure 2 est un schéma plus complet d'une seconde version de l'embrayage électronique conforme à l'invention.
Si l'on se réfère à la figure 1, un moteur électrique 1 du type à commutation monophasée avec bobinages de stator 2,2'est alimenté électriquement au moyen d'un commutateur principal à double contact 3, 3' connecté à une source de courant alternatif.
L'alimentation du moteur 1 est commandée par un triac 4 dont l'électrode de commande est commandée par un circuit de commande électronique constitué essentiellement par un bloc d'alimentation en tension de référence 5, un capteur de tension 6, un comparateur 7, un oscillateur 8 et un circuit d'alimentation 9.
Le bloc d'alimentation 5 de tension de référence comprend une résistance 10 et deux diodes 11 et 12 connectées en série entre une entrée H disposée en aval du contact du commutateur principal 3 et une sortie B connectée elle-même à un point G situé entre le triac 4 et le bobinage de stator plus proche 2 par un condensateur 13. Une diode Zener 14 est connectée en parallèle à un condensateur 15 et est montée entre le point G et un point intermédiaire A entre les deux diodes 11 et 12.
Le capteur de tension 6 comprend un diviseur de tension 16 connecté en parallèle avec le bobi-
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nage de stator 2 et constitué par-une résistance variable 17 en série avec-un certain nombre de résistances-connectées en parallèle 18, 19 et 20 (ou davantage) dont toutes peuvent être mises en ou hors circuit (à l'exception de la première) au-moyen de contacts électriques respectifs 21 et 22 (ou plus) commandés par le dispositif variateur de vitesse de l'outil 45.
Le variateur de vitesse 45 est représenté schématiquement sous forme d'une boite et peut être de tout type ou construction connus. Les contacts mobiles 21,22 sont couplés mécaniquement au dispositif 45 comme l'indiquent les lignes brisées. Une diode 23 connecte le noeud central N du diviseur de tension 16 aux points A et G par l'intermédiaire respectivement d'une autre diode 24 et d'un condensateur 25. Cet étage transforme la tension alternative aux bornes du bobinage de stator 2, tension qui est proportionnelle au courant absorbé et à la température, en une tension continue dont la valeur est proportionnelle à ladite tension alternative aux bornes du bobinage 2 et dépend également de la température de ce dernier.
Le comparateur 7 comprend essentiellement un amplificateur opérationnel 26 comportant une diode de réaction 27 et des-résistances de polarisation d'entrée 28 et 29. L'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 26 est connectée directement à la sortie L du capteur de tension 6 et son entrée négative est reliée à la sortie B du bloc d'alimentation en tension de référence 5 au moyen d'une résistance 30.
L'oscillateur 8 du type à oscillation blocable et d'un cycle de service positif de 10%, comprend un amplificateur opérationnel 31 comportant une résistance de réaction 32 vers l'entrée positive et une diode 33 et une résistance 34 connectées en série, pour fournir une réaction vers l'entrée négative. L'en-
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trée positive est polarisée par-une résistance 35 et est également connectée a--une Borne positive 36 (elles même connectée à la sortie du Bloc d'alimentation 5) par l'intermédiaire d'une résistance 37. L'entrée négative est connectée à la masse par un condensateur 38 et à la sortie du comparateur 7 par une résistance 39.
Finalement, le circuit de puissance 9 comprend un transistor NPN 40, dont le collecteur est relié à une borne positive 41 (elle-même reliée au point A du bloc d'alimentation 5), la base est reliée directement à la sortie de l'oscillateur 8 et l'émetteur est relié au point G par deux résistances 42 et 43 en série. Un point intermédiaire H situé entre les résistances-42 et 43 est connecté à l'électrode de commande du triac 4.
En service, le capteur de tension 6 alimente normalement l'entrée positive du comparateur 7 en signal dont la tension est inférieure à la tension de référence présente sur l'entrée négative du comparateur 7, de telle sorte que la sortie du comparateur 7 soit à zéro, et maintient l'oscillateur 8 à l'état de libre oscillation (par exemple à 1 kHz).
Les impulsions provenant de l'oscillateur 8 commutent périodiquement le transistor 40 du circuit de puissance 9 à l'état conducteur, de sorte que le circuit de puissance 9 fournit des crêtes périodiques de tension à l'électrode de commande (porte) du triac 4. Etant donné que la fréquence de ces crêtes n'est pas synchrone avec la fréquence du secteur, et qu'elle est en fait beaucoup plus élevée que cette dernière, le triac 4 peut être considéré comme complètement conducteur et le moteur 1 sera complètement alimenté.
Cependant, si à la suite d'un couple particulièrement élevé appliqué à l'axe de l'induit du moteur 1, la tension alternative aux Bornes du bobinage 2 du stator dépasse une valeur
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prédéterminée établie par le dltriseur de tension 16, la tensron de sortie du capteur augmente et passe, après une période prédéterminée de retard qui peut être fixée par le condensateur 25, a un niveau dépassant le niveau de référence fixé par le bloc d'alimentation 5, de sorte qu'une tension positive apparaît à la sortie du comparateur 7 et a pour effet de bloquer l'oscillation de l'oscillateur 8. Le transistor 40 du circuit de puissance g se bloque donc, et le triac 4 s'éteint, coupant ainsi l'alimentation du moteur 1.
Par suite, le moteur s'arrête.
Comme précise, le niveau de fonctionnement de l'embrayage électronique est déterminé par le diviseur de tension 10 qui fixe le coefficient de proportionnalité entre la tens-ion alternative aux bornes du bobinage 2 (elle-même dépendant de la température du moteur 1) et la. tension de sortie disponible sur la sortie du capteur L. Après avoir été initialement préréglée par la résistance variable 17, ledit coefficient de proportionnalité varie lui-même avec la vitesse de rotation de l'outil sous l'effet de la variation correspondante d'état des contacts 21 et 22 dont la fermeture réalise la connexion des résistances respectives 19 et 20 en parallèle avec la résistance 18 ; ce qui réduit de façon correspondante la valeur de la résistance équivalente du diviseur de tension 16.
Le condensateur 25 fixe le temps de retard du capteur 6 pour permettre à la tension mesurée de dépasser brièvement le seuil de fonctionnement de l'embrayage électronique sans que ce dernier fonctionne.
De cette façon, l'on peut déterminer de façon évidemment variable la période d'insensibilité de l'embrayage électronique.
L'embrayage électronique représenté à la
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figure 9. est en son principe le-même que celui qui est décrit en se référant a. la figure 1. Dans la figure 2, le numéro de référence 51 indique le moteur commandé et 52 et 52bis-ses-bobinages-de stator, 53 et 53'les deux contacts accouplés du commutateur principal qui délivre le courant alternatif provenant d'une source de courant C. A et 54 un triac pour commander le moteur 51.
Le numéro de référence 55 indique un bloc d'alimentation stabilisée qui transforme la tension alternative d'alimentation provenant de l'interrupteur principal en tension continue, 56 une résistance de capteur reliée en série avec le triac 54, 57 un capteur-amplificateur de tension, 58 un circuit intégrateur-différenciateur, 5 ? un générateur de tension de référence, 60 un comparateur de tension, 61 un oscillateur, 62 un circuit de puis-sance, 63 un circuit de démarrage amorti, 64 un circuit écrêteur pour le déclenchement retardé du trrac 54, et 55 un circuit d'inhibition de démarrage.
En pratique, l'on peut dire que les circuits principaux de l'embrayage électronique sont équivalents dans les deux versions de la figure 1 et de la figure 2, sauf en ce qui concerne le point de fonctionnement qui diffère en fonction de la vitesse choisie pour l'outil, et l'addition dans l'embrayage de la figure 2 de quelques circuits auxiliaires tels que ceux indiqués par les numéros de référence 63,64 et 65, qui peuvent cependant être également incorporés dans l'embrayage de la figure 1.
Si l'on étudie de façon plus détaillée le schéma électrique de la figure 2, on voit que le bloc d'alimentation stabilisée 55 comprend, connectées en série à partir du commutateur principal, une résistance 66 et une diode 67, qui fournissent une tension continue stabilisée par une diode Zener 68.
Le capteur-amplificateur de tension 57 comprend un
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amplificateur opérationnel 70 en parallèle avec une résistance 71 et-un condensateur 72. L'entrée positive de l'amplificateur 70 est connectée à la-masse, c'est-à-dire qu'elle est-mise à la terre, alors que l'entrée négative est connectée à la résistance caprice 56 à travers une résistance 73. Le circuit intégrateur-différenciateur 58 qui est connecté à la sortie de l'amplificateur 70 par-une diode 74, comprend trois groupes RC chargés-de remplir les fonctions d'intégration, de décharge et de différentiation.
Le premier groupe comprend-une résistance 75 et un condensateur 76, le second groupe comprend le condensateur 76 et la résistance 77 et le troisième groupe comprend un condensateur 78 et une résistance 79, cette dernière étant commune avec le comparateur 60.
Le générateur de tension de référence 59 comprend essentiellement un. diviseur de tension formé par trois résistances- 80, 81 et 82, la résistance 81 pouvant être-misse en ou hors circuit par un commutateur 83 commandé par le dispositif de variation de vitesse de l'outil.
Le comparateur 60 est constitué par un amplificateur différentiel 84 dont l'entrée négative est connectée à la sortie du générateur de tension de référence 59, et l'entrée positive est connectée à la sortie du circuit intégrateur-différenciateur 58. La résistance 79 est connectée en parallèle avec l'amplificateur 84. Un condensateur 85 est également connecté entre les deux entrées de l'amplificateur 84.
L'oscillateur 61 comprend un amplificateur opérationnel 86 dont l'entrée positive est connectée à une alimentation positive à travers une résistance 87 et à la masse (c'est-à-dire mise à la terre) à travers une résistance 88. Alors que l'entrée négative est connectée à la sortie du comparateur 60 à travers
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une résistance 89 et a. la terre. a-travers un conden- sateur g0. Une résistance 91 connecte la sortie de l'amplificateur 86 à ladite entrée positive et ladite sortie est connectée à l'entrée négative par une résistance 92 et une diode 93 connectées en série.
Le circuit de puissance 62 comprend un transistor NPN 94 dont l'émetteur est connecté à la terre, la base étant connectée à la sortie de l'oscillateur 61 à travers une résistance 95, le collecteur étant connecté à travers un condensateur 96 à l'électrode de commande du triac 54 qui est lui-même connecté à la terre à travers une résistance 97. Le circuit de démarrage amorti 63 comprend un transistor PNP 98 dont le connecteur est connecté à l'entrée négative de l'amplificateur 86 de l'oscillateur 61, et dont l'émetteur est connecté à une alimentation positive et à la base à, travers-une résistance 99. La base du transistor 98 est connectée à la terre à travers une résistance 100 et un condensateur 101 montés en série, et a un point intermédiaire entre la résistance 66 et la diode 67 du bloc d'alimentation 55 à travers une diode 102.
Le circuit de seuil 64 comprend un amplificateur opérationnel 103 connecté en parallèle à une diode 104. L'entrée positive de l'amplificateur 103 est connectée à une alimentation positive à travers une diode Zener 105 et à la masse par une résistance 106. L'entrée négative de l'amplificateur 103 est connectée à l'entrée positive de l'amplificateur 86 de l'oscillateur 61. La sortie de l'amplificateur 103 est connectée au circuit de puissance 62 à travers une résistance 107.
Finalement, le circuit inhibiteur 65 comprend un transistor NPN 108 dont le collecteur est connecté à l'entrée positive de l'amplificateur 84
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du comparateur 60, l'émetteur est connecté à la terre et la base est connectée à la terre à travers une résistance 109 et également à la sortie de l'amplificateur 103 du circuit d'écrêtage 64 au moyen d'une résistance 110 et d'un condensateur 111 montés en série.
Dans des conditions normales de fonctionnement, le courant qui traverse la résistance captrice 56, et donc les enroulements 52 et 52" du moteur 51, est maintenu à une valeur telle qu'une tension est appliquée à travers le capteur de tension 57 à l'entrée positive de l'amplificateur 84 du comparateur 60, ce qui est inférieur à la valeur de tension de référence appliquée par le générateur 59 a l'entrée négative de cet amplificateur 84. Donc, la sortie de l'amplificateur 84 est nulle. En conséquence, l'oscillateur 61 est libre d'osciller pour provoquer une commutation périodique et rendre conducteur périodiquement le transistor 94, ce qui s'accompagne d'un déclenchement périodique identique du triac 54.
En choisissant convenablement la fréquence de déclenchement, le triac 54 peut être essentiellement considéré comme étant en état de conduction complète avec alimentation continue identique du moteur 51.
Si le couple appliqué à l'axe de l'induit du moteur augmente brusquement et fait naître une condition dangereuse, il se produit immédiatement une brusque augmentation de courant qui est captée par la résistance 56 et amplifiée par le capteur de l'amplificateur de tension 57. Une tension proportionnelle à la variation de courant est ensuite délivrée par le circuit intégrateur-différenciateur 58 à l'entrée positive de l'amplificateur 84 du comparateur 60.
Comme cette tension est supérieure à la tension de référence appliquée à l'entrée négative du comparateur 60, ce dernier produit un signal de sortie négatif
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qui, étant appliqué a. l'entrée négative de l'amplificateur 86, bloque l'oscillation de l'oscillateur 61.
Le transistor 94 est alors Bloqué en permanence, éteignant le triac 54 et par suite interrompant l'alimentation du moteur 51.
Le niveau de fonctionnement de l'embrayage électronique est établi dans-ce cas par le diviseur de tension qui constitue le générateur de tension de référence 59. Ceci est dû au fait que la résistance équivalente de ce diviseur de tension et par conséquent la tension de référence produite, varie en fonction de la fermeture ou de l'ouverture du commutateur 83, et par conséquent selon que la résistance 81 est incluse dans-le diviseur de tension 59 ou qu'elle en est coupée.
Le circuit intégrateur, constitué par la résistance 75 et le condensateur 76, détermine la valeur moyenne des crêtes du signal d'entrée prenant naissance à la sortie de l'amplificateur opérationnel 70 pour empêcher tout fonctionnement indésirable de l'embrayage électronique provoqué par des signaux parasites, ou par des perturbations provenant du secteur ou de sources de rayonnement.
La sensibilité de l'embrayage électronique est déterminée par la constante de temps du circuit différenciateur constitué par le condensateur 78 et la résistance 79.
Le circuit de seuil 64 a pour but de retarder le déclenchement du triac 54 jusqu'à ce que le moteur démarre. A ce point de vue, à ce stade de démarrage, les circuits de déclenchement du triac pourraient en fait provoquer le fonctionnement du triac avant que la tension d'alimentation se stabilise à la valeur nécessaire pour permettre au circuit 58 de remplir sa fonction différenciatrice et par conséquent
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de discriminer entre le courant de démarrage du moteur lorsqu'il fonctionne a vide et le courant qui passe lorsque le rotor est Bloqué (ou tombe en perte de vitesse). Le circuit de seuil 64 maintient le triac 54 éteint jusqu'à ce que la tension d'alimentation correcte soit appliquée a l'entrée positive de l'amplificateur 103 par l'intermédiaire de la diode Zener 105.
A ce-moment, la sortie de l'amplificateur 103 devient positive et le triac est déclenché.
Le circuit de démarrage amorti 63 a pour but de protéger l'opérateur dans le cas où le démarrage se produirait avec le rotor Bloqué. A ce stade initial, et plus particulièrement pendant la totalité du stade transisitoire de charge du circuit RC constitué par la résistance 100 et le condensatuer 101, la conduction du transistor 98 bloque en fait l'oscillation de l'oscillateur 61 pendant les alternances négatives de la tension d'alimentation, alors'que la présence de la diode 102 bloque ce transistor 98, entraînant l'oscillation libre de l'oscillateur 61 pendant les alternances positives. En conséquence l'oscillateur 61 ne fonctionne que pendant les alternances positives de la tension d'alimentation.
Donc, d'une part le couple maximum qui peut être développé par l'outil est réduit de 50% et d'autre part la fonction de protection normale qui agit sur les alternances positives est assurée. A la fin du stade transitoire, qui dure par exemple environ 500 mec, commence le fonctionnement normal à pleine puissance.
Finalement, le circuit inhibiteur 65 a pour but d'empêcher que la crête de courant absorbée au démarrage du moteur ne soit interprêtée par le circuit comme étant un brusque changement d'état, et en tant que tel ne provoque la commutation de l'amplificateur 84 du comparateur 60 et par conséquent l'extinc-
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tion du triac 54 et l'arrêt du moteur 51. A ce point de vue, pendant le stade transitoire de charge du circuit RC constitué par le condensateur 111 et la résistance 110 et pendant un temps qui varie en fonction de la valeur de la résistance 109, le transistor 108 est saturé et se. bloque alors permettant ainsi au circuit de différenciation constitué par le condensateur 78 et la résistance 79 de fonctionner librement.
La détection du courant absorbé ou plutôt sa variation est donc bloquée pendant un temps déterminé (par exemple 80-120 msec) à partir de l'instant ou le triac 54 devient conducteur.
L'on peut se rendre compte que les embrayages électroniques des figures 1 et 2 peuvent être incorporés à des outils électriques par exemple des perçeuses portatives, des perçeuses sensitives qui peuvent fonctionner à plusieurs vitesses différentes, donc chacune peut être choisie par l'opérateur. La version représentée à la figure 1 concerne un outil à trois vitesses et celle de la figure 2 un outil à deux vitesses. Cependant, dans la figure 1, en augmentant le nombre de résistances en parallèle 18,19, 20 et en augmentant donc de façon correspondante le nombre de contacts 21,22, l'embrayage électronique peut être aisément adapté pour un outil électrique possédant un nombre quelconque de vitesses sélectionnables, par exemple quatre, cinq, six ou davantage-.
De façon identique. dans la version de la figure 2, en ayant d'autres résistances connectées en parallèle avec la résistance 81 et en munissant chacune d'elles d'un commutateur séparé-semblable au commutateur 83 de façon à connecter sélectivement chacune de ces résistances à la terre, l'on peut réaliser un outil électrique ayant trois ou quatre vitesses sélectionnables, ou davantage.
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Les versions décrites ci-dessus ne doivent évidemment pas être considérées comme limitant le domaine de la présente invention. Des modifications pourront être apportées, ou d'autres constructions être réalisées, qui seront conformes à l'esprit de l'invention et entreront dans son domaine de la façon définie dans les revendications annexes.