FR2556897A1

FR2556897A1 - Brushless DC motor.

Info

Publication number: FR2556897A1
Application number: FR8320112A
Authority: FR
Inventors: Bernard Cantonnet
Original assignee: Precilec SAS
Current assignee: Safran Electronics and Defense Actuation SAS
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1985-06-21
Also published as: FR2556897B1

Abstract

Bushless DC motor, with angular position sensor and associated electronics. The sensor consists of stacked magnetic sheets. Its rotor 9 has notches and its stator 10 includes a primary winding fed with AC and secondary windings whose signals are transformed by the associated electronics in order to control the switching of the phases of the motor.

Description

Moteur à courant continu sans balais.Brushless DC motor.

La présente invention concerne les moteurs munis d'un rotor à aimants permanents et sans balais, associé à un capteur de position angulaire commandant, après traitement électronique de ses signaux de sortie, les commutations dans les enroulements du stator du moteur. The present invention relates to motors provided with a rotor with permanent magnets and brushless, associated with an angular position sensor controlling, after electronic processing of its output signals, the switching in the windings of the motor stator.

Les moteurs à courant contiu classiques emploient des collecteurs et des balais pour réaliser des commutations dans les enroulements situés au rotor. Conventional DC motors use collectors and brushes to effect switching in the windings located on the rotor.

Cette solution a pour principaux inconvénients de créer un couple de frottement, de nécessiter une maintenance préventive, de limiter la durée de vie et d'être incompatible avec certains types d'environnement. The main drawbacks of this solution are to create a friction torque, to require preventive maintenance, to limit the service life and to be incompatible with certain types of environment.

Pour remédier à ces problèmes, il a été proposé antérieurement des moteurs à courant continu sans balais. To overcome these problems, brushless DC motors have previously been proposed.

Les aimants permanents sont situés au rotor. Les enroulements sont alors placés au stator et leurs commutations sont commandées électroniquement par un capteur de position angulaire du rotor.The permanent magnets are located on the rotor. The windings are then placed on the stator and their switching is electronically controlled by an angular position sensor of the rotor.

Ces capteurs utilisent généralement des composants photosensibles, des cellules à effet Hall ou des magnétorésistances. These sensors generally use photosensitive components, Hall effect cells or magnetoresistors.

Ces solutions restent incompatibles avec les environnements poussiéreux, les températures élevées ou certaines atmosphères corrosives. These solutions remain incompatible with dusty environments, high temperatures or certain corrosive atmospheres.

I1 a aussi été envisagé d'utiliser un capteur inductif comme capteur de position angulaire mais cette solution a l'inconvénient de nécessiter soit l'usage de balais soit l'usage d'un ou plusieurs transformateurs tournants pour alimenter les enroulements rotoriques ou mesurer leurs tensions induites. It has also been envisaged to use an inductive sensor as an angular position sensor, but this solution has the drawback of requiring either the use of brushes or the use of one or more rotary transformers to power the rotor windings or measure their induced tensions.

Pour remédier aux inconvénients des enroulements situés au rotor du capteur, il a été envisagé d'utiliser un capteur de position angulaire à blindage magnétique interrompant le transfert d'énergie entre le primaire et le secondaire d'un transformateur fixe. Ce dispositif fonctionne à radio-fréquence ce qui a l'inconvénient de donner au secondaire un faible gradient de signal, d'autre part sa géométrie axiale a l'inconvénient de compliquer son montage. To overcome the drawbacks of the windings located at the sensor rotor, it has been envisaged to use an angular position sensor with magnetic shielding interrupting the transfer of energy between the primary and the secondary of a fixed transformer. This device operates at radio frequency which has the disadvantage of giving the secondary a weak signal gradient, on the other hand its axial geometry has the disadvantage of complicating its mounting.

Le but principal de l'invention est de fournir un moteur à courant continu sans balais avec capteur de position angulaire et électronique associée, qui ne soit pas sujet à l'usure et qui puisse s'adapter facilement à un maximum d'environnements. The main object of the invention is to provide a brushless DC motor with angular position sensor and associated electronics, which is not subject to wear and which can easily adapt to a maximum of environments.

L'invention a pour objet un moteur à courant continu sans balais à stator bobiné et rotor à aimants permanents, avec capteur de position angulaire et électronique associée, caractérisé en ce que le capteur comprend: - un rotor et un stator réalisés en tôles magnétiques empilées, - des enroulements secondaires bobinés au stator en nombre égal à celui des enroulements du moteur, identiques entre eux et décalés angulairement les uns par rapport aux autres, - un enroulement primaire bobiné au stator engendrant lorsqu'il est alimenté en courant alternatif et en présence d'un rotor non encoché, des flux inducteurs égaux en amplitude dans chaque enroulement secondaire. The subject of the invention is a brushless DC motor with a wound stator and permanent magnet rotor, with angular position sensor and associated electronics, characterized in that the sensor comprises: - a rotor and a stator made of stacked magnetic sheets , - secondary windings wound on the stator in a number equal to that of the motor windings, identical to each other and offset angularly with respect to each other, - a primary winding wound on the stator generating when it is supplied with alternating current and in the presence an indented rotor, inductive fluxes equal in amplitude in each secondary winding.

- un rotor dont les encoches font varier l'amplitude du flux inducteur dans les enroulements secondaires suivant des fonctions périodiques, de période égale à un tour de rotor divisé par le nombre de paires de pôles du moteur.- A rotor, the notches of which vary the amplitude of the inductive flux in the secondary windings according to periodic functions, of period equal to one revolution of the rotor divided by the number of pairs of poles of the motor.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les ordres de commande de l'alimentation des enroulements du moteur sont les signaux de sortie d'une logique combinatoire, les signaux d'entrée étant les signaux issus des enroulements secondaires du capteur de position angulaire, redressés et mis en forme, - l'ordre de sens de couple est un signal d'entrée de la logique combinatoire, - des moyens sont prévus pour régler la position angulaire du stator du capteur de position angulaire par rapport au stator du'moteur de manière à régler les instants des commutations des enroulements du moteur par rapport à la position du rotor, ou à inverser le sens de marche du moteur. According to other characteristics of the invention - the commands for controlling the power supply to the motor windings are the output signals from combinatorial logic, the input signals being the signals coming from the secondary windings of the angular position sensor , straightened and shaped, - the torque direction command is an input signal from the combinational logic, - means are provided for adjusting the angular position of the stator of the angular position sensor relative to the stator of the motor so as to adjust the switching times of the motor windings relative to the position of the rotor, or to reverse the direction of travel of the motor.

Selon l'invention, le moteur est constitué d'un rotor à aimants permanents et d'un stator à plusieurs enroulements décalés angulairement et dont le nombre de pôles est égal au nombre de pôles du rotor. According to the invention, the motor consists of a rotor with permanent magnets and a stator with several windings offset angularly and whose number of poles is equal to the number of poles of the rotor.

Il comporte, de plus, un capteur de position angulaire constitué d'un rotor et d'un stator en tôles magnétiques empilées. Tous les enroulements sont bobinés au stator.L'enroulement primaire engendre, lorsqu'il est alimenté en courant alternatif et en présence d'un rotor non encoché, des flux inducteurs égaux en amplitude dans chaque enroulement secondaire. Les enroulements secondaires sont en nombre égal à celui des enroulements du moteur, identiques entre eux et décalés angulairement les uns par rapport aux autres. Le rotor est muni d'encoches qui font varier l'amplitude du flux inducteur suivant des fonctions périodiques de période égale à un tour de rotor divisé par le nombre de paires de pôles du moteur. It also includes an angular position sensor consisting of a rotor and a stator made of stacked magnetic sheets. All the windings are wound on a stator. The primary winding generates, when supplied with alternating current and in the presence of a notched rotor, inductive fluxes equal in amplitude in each secondary winding. The secondary windings are equal in number to that of the motor windings, identical to each other and offset angularly with respect to each other. The rotor is provided with notches which vary the amplitude of the inductive flux according to periodic functions of period equal to one revolution of the rotor divided by the number of pairs of poles of the motor.

Il comporte également une électronique associée constituée d'une logique combinatoire dont les variables d'entrée sont les signaux issus des enroulements secondaires du capteur de position angulaire, redressés et mis en forme ainsi qu'un signal d'ordre de sens de couple, et dont les variables de sortie sont les ordres de commande des commutateurs par lesquels sont alimentés en courant continu les enroulements du moteur. It also includes associated electronics made up of combinatorial logic, the input variables of which are the signals from the secondary windings of the angular position sensor, rectified and shaped as well as a torque direction command signal, and whose output variables are the control commands of the switches through which the motor windings are supplied with direct current.

L'ordre dsinversion de couple peut être exécuté par un autre moyen en plaçant au secondaire du capteur de position angulaire, deux jeux d'enroulements identiques mais décalés angulairement d'un tour divisé par le nombre de pôles du moteur et en les reliant alternativement à la logique de commande, alors simplifiée, en fonction du signal d'ordre de sens de couple. The torque reversal order can be executed by another means by placing two sets of identical windings at the secondary of the angular position sensor, angularly offset by one revolution divided by the number of poles of the motor and alternately connecting them to the control logic, then simplified, as a function of the torque direction command signal.

Une modification de la logique combinatoire permet de modifier les caractéristiques du moteur. A modification of the combinational logic makes it possible to modify the characteristics of the motor.

Il est de plus possible de régler les instants de commutation des enroulements du moteur par rapport à la position du rotor ou d'inverser le sens de couple du moteur par un dispositif de réglage de position du stator du capteur angulaire par rapport au stator du moteur. It is also possible to adjust the switching times of the motor windings relative to the position of the rotor or to reverse the direction of torque of the motor by a device for adjusting the position of the stator of the angular sensor relative to the stator of the motor. .

Dans les cas les plus difficiles, les composants électroniques peuvent être séparés du moteur et du capteur de position angulaire et mis dans un emplacement plus favorable. In the most difficult cases, the electronic components can be separated from the motor and the angular position sensor and placed in a more favorable location.

D'autres objectifs plus particuliers de l'invention sont de fournir un capteur de position angulaire robuste et simple àmettre en oeuvre, d'utiliser éventuellement des aimants terres rares-cobalt qui, grâce à leurs faibles dimensions, minimisent l'inertie de l'ensemble, d'avoir éventuellement un stator bobiné extérieur ce qui favorise l'évacuation de la chaleur et de pouvoir modifier les caractéristiques du moteur seulement par une modification de la logique combinatoire de commande. Other more specific objectives of the invention are to provide a robust angular position sensor which is simple to implement, possibly using rare earth-cobalt magnets which, thanks to their small dimensions, minimize the inertia of the together, possibly having an external wound stator which promotes heat dissipation and being able to modify the characteristics of the motor only by modifying the combinational control logic.

D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit faite avec référence au dessin annexé sur lequel
La figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un ensemble moteur à courant continu sans balais avec capteur de position angulaire et électronique associée, selon l'invention, la partie inférieure étant en élévation.Other characteristics of the invention appear from the following description made with reference to the attached drawing in which
Figure 1 is a partial longitudinal section of a brushless DC motor assembly with angular position sensor and associated electronics, according to the invention, the lower part being in elevation.

La figure 2 est un schéma de principe du capteur de position angulaire. Figure 2 is a block diagram of the angular position sensor.

La figure 3 est un diagramme illustrant les variations des amplitudes des trois signaux de sortie du capteur. FIG. 3 is a diagram illustrating the variations in the amplitudes of the three sensor output signals.

La figure 4 est un synoptique général de fonctionnement de l'ensemble moteur à courant continu sans balais, capteur de position angulaire, -électronique associée. Figure 4 is a general block diagram of the DC brushless motor assembly, angular position sensor, associated electronics.

La figure 5 est un schéma de principe.d'une variante permettant d'inverser le couple du moteur par une commutation-des secondaires du capteur. Figure 5 is a block diagram of a variant for reversing the motor torque by switching the secondary of the sensor.

La figure 6 est un schéma de principe d'une variante de capteur de position angulaire pour un moteur diphasé six pôles. Figure 6 is a block diagram of an alternative angular position sensor for a six-pole two-phase motor.

Le moteur à courant continu, sans balais avec capteur de position angulaire et électronique associée, choisi comme exemple pour illustrer l'invention est une version présentée sur la figure 1 où l'ensemble des composants électroniques est séparé du reste de la machine. A l'intérieur du carter 1 se situe le stator 2 du moteur, constitué d'un paquet de tôles magnétiques encochées, et dans lequel est réalisé un bobinage triphasé à huit pôles. The brushless DC motor with angular position sensor and associated electronics, chosen as an example to illustrate the invention is a version shown in Figure 1 where all of the electronic components are separated from the rest of the machine. Inside the casing 1 is located the stator 2 of the motor, consisting of a packet of notched magnetic sheets, and in which a three-phase winding with eight poles is produced.

Ce carter est fermé aux deux extrémités par les flasques 3 et 4 dans lesquels sont montés les roulements à billes 5. Le rotor 6 en matériau magnétique massif est collé sur l'arbre 7 et sert de support à huit aimants 8 terres rarescobalt fixés aussi par collage. Sur la sortie d'arbre côté flasque 3 est collé le rotor 9 du capteur angulaire.This casing is closed at both ends by the flanges 3 and 4 in which the ball bearings are mounted 5. The rotor 6 made of solid magnetic material is glued to the shaft 7 and serves as a support for eight magnets 8 rare earth cobalt also fixed by collage. The rotor 9 of the angular sensor is bonded to the shaft outlet on the flange side 3.

Le stator 10 du capteur angulaire est collé directement sur le flasque 3. Le rotor 9 et le stator 10 sont réalisés à partir de tôles ayant de bonnes propriétés magnétiques à fréquence d'excitation élevée. La position respective du flasque 3 et du carter 1 peut être réglée angulairement puis fixée à l'aide du collier 11. Un capot 13 est prévu pour protéger le capteur, et la fixation du flasque 4 sur le carter 1 est assurée au moyen de vis 12. Le principe de fonctionnement du capteur de position angulaire peut alors être décrit à l'aide de la figure 2. Le primaire représenté par la spire P1 engendre un champ magnétique alternatif dans l'entrefer. La forme des tôles du rotor 9 canalise ce champ sur des intervalles angulaires de 45" soit l'espace angulaire d'un pôle du moteur.The stator 10 of the angular sensor is bonded directly to the flange 3. The rotor 9 and the stator 10 are made from sheets having good magnetic properties at high excitation frequency. The respective position of the flange 3 and of the casing 1 can be adjusted angularly then fixed using the collar 11. A cover 13 is provided to protect the sensor, and the fixing of the flange 4 to the casing 1 is ensured by means of screws. 12. The operating principle of the angular position sensor can then be described using FIG. 2. The primary represented by the turn P1 generates an alternating magnetic field in the air gap. The shape of the sheets of the rotor 9 channels this field over angular intervals of 45 ", ie the angular space of one pole of the motor.

Le secondaire constitué par trois enroulements représentés par les spires S1 , S2 , S3 fournira des tensions induites dont les amplitudes sont fonctions de la position angulaire K du rotor, périodiques de période 90 , soit l'espace angulaire de deux pôles du moteur, et chacune déphasée de 30 soit l'espace angulaire de deux pôles du moteur divisé par le nombre de phases du moteur. Ces fonctions sont schématisées sur la figure 3.Le fonctionnement de l'ensemble est représenté par la figure 4.Le capteur de position angulaire 14 alimenté par un oscillateur 15 fournit trois signaux C1 , C2 , C3 dont les amplitudes font une mesure absolue de la position angulaire o( sur l'espace angulaire de deux pôles du moteur.Ces trois signaux redressés puis mis en forme dans le circuit 16 sont alors appelés C'1 , C'2 , C'3 et constituent, avec le signal de sens de couple C'4 en provenance de la commande 17 de sens de couple , les variables d'entrée d'une logique combinatoire 18.Les signaux de sortie T1 à T6 de cette logique combinatoire sont les ordres d'ouverture ou de fermeture des six commutateurs montés en pont parallèle double dans le circuit de puissance 19.La tension U d'alimentation en courant continu, en provenance de la source 20, pourra ainsi être appliquée aux trois conducteurs
A, B, C du moteur 21 en fonction de la succession des ordres de la logique combinatoire 18. Les divers constituants 15 à 20 de l'électronique associée sont de type connu en soi. La figure 5 représente une variante de réalisation du capteur schématisé sur la figure 2. Aux trois enroulements représentés par les spires S1, S2, S3 et identiques au cas précédent s'ajoute une deuxième série de trois enroulements représentés par les spires S4, S > S6 décalées par rapport aux premières de 45" soit l'espace angulaire d'un pôle du moteur.Le fait de relier soit les enroulements représentés par les spires S1, S2, S3 soit les enroulements représentés par les spires S4, S5, S, 6 inverse le sens du couple du moteur. Cette variante simplifie la logique combinatoire 18 en supprimant la variable d'entrée C'4.The secondary formed by three windings represented by the turns S1, S2, S3 will provide induced voltages whose amplitudes are a function of the angular position K of the rotor, periodicals of period 90, ie the angular space of two poles of the motor, and each phase shifted by 30, ie the angular space of two poles of the motor divided by the number of phases of the motor. These functions are shown diagrammatically in FIG. 3. The operation of the assembly is represented by FIG. 4. The angular position sensor 14 supplied by an oscillator 15 provides three signals C1, C2, C3 whose amplitudes make an absolute measurement of the angular position o (on the angular space of two poles of the motor. These three signals rectified then formed in the circuit 16 are then called C'1, C'2, C'3 and constitute, with the direction signal torque C'4 coming from the torque direction command 17, the input variables of a combinatorial logic 18. The output signals T1 to T6 of this combinatorial logic are the opening or closing orders of the six switches mounted in a double parallel bridge in the power circuit 19. The voltage U of direct current supply, coming from the source 20, can thus be applied to the three conductors
A, B, C of the motor 21 as a function of the succession of the orders of the combinational logic 18. The various constituents 15 to 20 of the associated electronics are of a type known per se. FIG. 5 represents an alternative embodiment of the sensor shown diagrammatically in FIG. 2. To the three windings represented by the turns S1, S2, S3 and identical to the previous case, a second series of three windings represented by the turns S4, S> is added. S6 offset from the first 45 "or the angular space of one pole of the motor. The fact of connecting either the windings represented by the turns S1, S2, S3 or the windings represented by the turns S4, S5, S, 6 reverses the direction of the motor torque This variant simplifies the combinational logic 18 by eliminating the input variable C'4.

On doit remarquer que les caractéristiques du moteur peuvent être modifiées par un changement de la logique combinatoire 18. It should be noted that the characteristics of the motor can be modified by a change in the combinational logic 18.

Cette invention a les mêmes applications que le moteur à courant continu et à aimants permanents. Elle est plus particulièrement susceptible d'applications industrielles dans les cas où l'usage de contacts frottants est gênant. Elle peut aussi être applicable pour les cas nécessitant une intertie du rotor minimale ou une évacuation thermique optimale. This invention has the same applications as the DC motor and permanent magnets. It is more particularly susceptible of industrial applications in cases where the use of rubbing contacts is inconvenient. It can also be applicable for cases requiring minimum rotor intertie or optimal thermal evacuation.

L'invention a été représentée et décrite sous sa forme préférentielle seulement et à titre d'exemple et on peut y apporter beaucoup de modifications, restant dans l'esprit de l'invention. Ces modifications peuvent porter en particulier sur le nombre de pôles et le nombre de phases,sur des différences de bobinage entre les enroulements secondaires ne changeant pas le principe du capteur, sur la position extérieure ou intérieure du rotor. The invention has been shown and described in its preferred form only and by way of example and many modifications can be made thereto, remaining within the spirit of the invention. These modifications may relate in particular to the number of poles and the number of phases, to differences in winding between the secondary windings which do not change the principle of the sensor, to the external or internal position of the rotor.

Il est donc entendu que ce qui précède n'est aucunement limitatif. It is therefore understood that the above is in no way limiting.

Claims

1. Brushless DC motor with wound stator and permanent magnet rotor, with angular position sensor and associated electronics, characterized in that the sensor comprises - a rotor (9) and a stator (10) made of stacked magnetic sheets , - secondary windings (S1, S2, S3) wound on the stator in a number equal to that of the motor windings, identical to each other and offset angularly with respect to each other, - a primary winding (P1) wound on the stator generating when '' it is supplied with alternating current

and in the presence of a rotor not notched, inductive fluxes equal in amplitude in each secondary winding, - a rotor (9) whose notches vary the amplitude of the inductive flux in the secondary windings (S1, S2, S3) according to periodic functions, of period equal to one revolution of the rotor divided by the number of pairs of poles of the motor.

2. Motor according to claim 1, characterized in that the control orders (T1, T2, T3, T4, T5, T6) of the power supply to the motor windings are the output signals of a binational logic (18 ), the input signals being the signals from the secondary windings (S1, S2, S3) of the angular position sensor, rectified and shaped (C'1, C'2, C'3).

3. Motor according to claim 2, characterized in that the torque direction order (C'4) is an input signal from the combinational logic (18).

4. Motor according to claim 1, characterized in that the sensor further comprises on the stator (10) a second set of secondary windings (S4, S5, S6), 6> identical to the first (S1, S2, S3 ) and angularly offset by one revolution divided by the number of motor poles.

5. Motor according to claim 4, characterized in that, to define the direction of torque, the signals of the first set of windings (S1, S2, S3) of the sensor are used as input signals of the combinational logic, or those of the second set of windings S4, S5, S6).

6. Motor according to claim 1, characterized in that means (11) are provided for adjusting the angular position of the stator of the angular position sensor relative to the stator of the motor so as to adjust the instants of the switching of the motor windings by relative to the position of the rotor, or to reverse the direction of the motor.

7. Brushless direct current motor, of the wound stator type and rotor made up of permanent magnets, with sensor of the angular position of the motor rotor, and associated electronics for controlling the switching of the motor phases according to the signals received from the angular position sensor, the angular position sensor being supplied with alternating current by an oscillator, characterized in that the angular position sensor (14) comprises: a rotor (9), having notches at its periphery; and a stator (10) provided with a primary winding (P1) and three secondary windings (S1, S2> S3) which are identical and regularly distributed, the primary winding (P1) being powered: by the oscillator (15); so that the secondary windings (S1, S2, S3) supply the associated electronics (16, 18) with input signals (C1, C2r C3) which are transformed to define the control signals (T1- T6) switching the motor phases (21).

8. Motor according to claim 7, characterized in that the number of the notches of the rotor (9) of the sensor (14) of the angular position of the motor rotor (21) is defined to vary the amplitude of the inductive flux in the secondary windings (S1, S2 'S3) of the sensor (14) according to periodic functions whose period is equal to one rotor revolution divided by the number of pairs of poles of the motor.