FR2636182A1 - Circuit de commande pour moteur a courant continu sans collecteur, notamment d'un ventilateur - Google Patents

Abstract

Un moteur à courant continu sans collecteur comprend un rotor annulaire R formant aimant à quatre pôles, et logeant un stator à deux branches S1 et S2 muni d'enroulements LS1 et LS2 et de pièces polaires PS1 à PS4. Le courant de commande est commuté entre les organes LS1 et LS2 en fonction de la position du stator relativement à un capteur H à effet Hall. Selon l'invention, cette commande agit à chaque fois en fermant le transistor de commutation concerné après un retard, et pour le reste de la période de commande du stator.

Description

Moteur à courant continu sans collecteur perfectionné, notamment pour ventilateur.

L'invention concerne les petits moteurs à courant continu, qui s'appliquent notamment à la ventilation des circuits électroniques.

I1 s'agit généralement de moteurs sans collecteur. Lorsque.

le moteur a quatre pôles, son stator possède la forme d'une croix munie de pièces polaires aux quatre extrémités de ses deux branches Sur chacune de celles-ci est monté un bobinage, tandis que le rotor comprend un aimant annulaire à quatre pôles. Un semiconducteur à effet Hall détecte le passage du début de l'une des pièces polaires du stator en un point prédéterminé du rotor. Le moteur se complète de moyens de commande définis en principe par des transistors de commutation opérant en alternat en fonction du signal issu dudit capteur.

Sous réserve d'une disposition convenable du capteur à effet
Hall, le moteur va entrer en rotation dès que le courant continu d'alimentation lui est appliqué. Le rotor et l'hélice du ventilateur agissent comme un volant permettant de vaincre la force due à la réluctance variable inhérente à ce genre de moteur.

Ce type de moteur est maintenant très répandu. Cependant, il manque de souplesse à divers titres.

Tout d'abord, il faut en pratique fabriquer un moteur pour chaque application. Bien plus, si un seul des paramètres de l'application change, par exemple la tension d'alimentation du moteur, il faut concevoir un nouveau moteur.

Par ailleurs, il est difficile de faire varier la vitesse de rotation d'un tel moteur, entre autres paramètres supplémentaires.

Ce type de problème n'a pas encore reçu de solution satisfaisante.

En effet, il a été envisagé d'implanter, dans le corps du ventilateur, une alimentation à découpage miniature, dont on pourrait donc faire varier la tension de sortie. Mais cette solution est actuellement trop onéreuse pour convenir aux appareils de bas prix que - sont les moteurs à courant continu en question.

Une autre solution consiste à utiliser les semiconducteurs de commutation commandant les bobinages comme des interrupteurs d'alimentation à découpage, en faisant varier à cadence élevée le rapport cyclique du courant appliqué à chaque bobinage. Si la cadence de commutation est basse, il en résulte un bruit de fonctionnement inadmissible, dès lors que la plupart des applications, notamment en ventilation, exigent un grand silence. Si, au contraire, pour être inaudible, le découpage a lieu à haute fréquence, alors le rendement devient très faible, et les pertes par effet Joule sont trop importantes pour la masse du moteur.

La puissance de perte va souvent dépasser 'la puissance mécanique réelle obtenue. De surcot, le démarrage du moteur devient alors très difficile.

I1 a été également envisagé de faire varier la tension appliquée au moteur pour en ajuster la vitesse. La plage de variations que l'on obtient ainsi n'est pas très étendue car l'impédance des bobinages du stator est optimisée pour une tension d'alimentation nominale. En dessous de cette tension, la magnétisation des pièces polaires du stator risque d'être incomplète, et le fonctionnement du moteur de devenir aléatoire. Au-delà de cette tension nominale d'alimentation, les pièces polaires tendront à se saturer, les pertes par effet Joule augmenteront là encore dangereusement, et le courant circulant dans les bobinages et les semiconducteurs de commutation sera trop important, ce qui pose des problèmes de fiabilité pour ces mêmes semiconducteurs.

La présente invention vient apporter une solution élégante à ce problème.

Elle concerne un moteur à courant continu sans collecteur du type précité. De façon connue, ce moteur comprend un rotor, formant aimant annulaire, un stator à deux paires de pôles au moins, muni d'enroulements commandés, un capteur tel qu'une cellule à effet Hall, propre à détecter le passage du début de l'une quelconque des pièces polaires du stator en un point prédéterminé du rotor, et des moyens de commande des enroulements du stator, à l'aide de deux transistors de commutation opérant en alternat en fonction du signal issu dudit capteur.

Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ces moyens de commande agissent à chaque fois en fermant le transistor de commutation concerné après un retard, et pour le reste de la période de commande du stator.

On obtient ainsi une commande dont on verra plus loin qu'elle peut être très souple, en évitant tous les inconvénients reconnus de la technique antérieure.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de commande comprennent deux voies, recevant respectivement les deux phases opposées du signal issu du capteur, et comprenant chacune une porte de commande d'un transistor de commutation respectif, tandis qu'est également prévu un étage séparé pour détecter le début de chaque phase, et valider les deux portes après un retard par rapport à ce début.

Plus précisément encore, l'étage séparé peut comprendre une porte ET, suivie d'un circuit monostable. Très avantageusement, ce dernier est connecté à un montage pilote, dont le but est de faire varier la résistance de charge de la capacité définissant le retard fourni par ce circuit monostable. Suivant différentes variantes de l'invention, qui peuvent se combiner - le montage pilote comprend un potentiomètre de réglage de vitesse; - le montage pilote comprend une résistance sensible à la température; - le montage pilote est au moins en partie défini par un capteur photoélectrique sensible à la turbidité de l'air; - le montage pilote comprend un amplificateur-intégrateur.

L'homme de l'art comprendra que certaines de ces variantes sont plus spécifiquement liées à l'application de ventilation.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique illustrant la structure d'un petit moteur auquel peut s'appliquer.l'in- vention; - la figure 2 est le schéma de principe des moyens de commande électronique incorporés à ces moteurs selon la technique antérieure; - la figure 3 est le schéma de principe des moyens de commande modifiés selon la présente invention; et - les figures 4, 4a et 4b sont des chronogrammes permettant de mieux comprendre le fonctionnement du dispositif selon l'invention.

Les dessins annexés comportent, au moins en partie, des éléments de caractère certain. En conséquence, ils font partie intégrante de la description, et pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre celle-ci, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.

Sur la figure 1, un petit moteur à courant continu sans collecteur est défini par un rotor annulaire aimanté définissant quatre pôles, à savoir deux pôles nord opposés et deux pôles sud opposés, disposés de façon équidistante sur la périphérie de ce rotor. Ce rotor est solidaire d'un moyeu supportant les pales de l'hélice d'un ventilateur (ces éléments n'étant pas représentés). A l'intérieur du rotor est prévu un stator métallique, défini par deux bras S1 et S2 qui se croisent, et dont les terminaisons supportent quatre pièces polaires PS1 à PS4.

Une position de repos de ce moteur est par exemple celle définie sur la figure 1, où les pièces polaires PS1 et PS3 se trouvent en face des pôles sud du rotor, tandis que les pièces polaires PS2 et PS4 se trouvent en face de ses pales nord. Les bras S1 et S2 de la croix que forme le stator supportent respectivement des enroulements LS1 et LS2.

Sous le rotor est prévu un capteur à effet Hall H, placé au voisinage aval de l'un des pales de l'aimant que comporte ce rotor, par rapport à la flèche F qui désigne le sens de rotation du moteur.

De préférence, les pièces polaires PS1 à PS4 possèdent en tête un amincissement, destiné à améliorer le fonctionnement du rotor, comme le comprendra plus loin l'homme de l'art.

Un tel moteur s'accompagne d'un circuit de commande relativement simple, dont le schéma de principe est illustré sur la figure 2. Sont prévus une diode D1 et un condensateur C1 permettant le filtrage de la tension d'alimentation. Le capteur à effet Hall, représenté en H, reçoit la tension d'alimentation +V disponible après filtrage à travers une résistance R1. Sa tension de collecteur est appliquée à travers une résistance R2 à un premier transistor de commutation Q1, dont l'émetteur est relié à la masse et dont le collecteur commande l'enroulement de stator LS1, ainsi que, par une résistance
R3, un second transistor Q2 dont l'émetteur est également à la masse, tandis que son collecteur commande l'autre enroulement de stator LS2.

La figure 4 illustre l'allure du courant de sortie du capteur à effet Hall H. Lorsque ce courant est élevé, c' est le transistor Q1 qui est conducteur et qui alimente l'enroulement de stator LS1, tandis que l'autre enroulement LS2 n'est pas alimenté, le transistor Q2 étant bloqué. Inversement, lorsque le courant I de la figure 4 est bas, le transistor Q1 est bloqué, et, à travers l'enroulement LS1 et la résistance R3, le transistor Q2 reçoit une tension de polarisation suffisante pour mettre en conduction totale le second enroulement de stator LS2.

Le fonctionnement des moteurs dont il s'agit est particulièrement sensible, ces moteurs étant soigneusement optimisés.

I1 en résulte, comme déjà relevé plus haut, que si l'on doit par exemple changer la tension d'alimentation du moteur, ou bien lui conférer une autre vitesse nominale de rotation, ou plus généralement modifier la valeur nominale de l'un de ses paramètres de fonctionnement, il y a lieu de reconcevoir l'ensemble du moteur.

Cet inconvénient est supprimé par le montage de la présente invention, qui est visible sur la figure 3.

Cette figure part du capteur H, et ne reprend donc pas le circuit de filtrage de la figure 2. La tension disponible en sortie du capteur H est appliquée à deux portes ET P1 et P2, qui définissent deux voies entièrement séparées pour la commande des transistors Q1 et Q2. On remarquera au passage que la tension nécessaire à Ta polarisation du transistor Q2 n'a maintenant plus besoin de passer à travers l'enroulement LS1.

L'examen de la figure 4 montre que le signal de sortie du capteur H a deux phases, et l'on pourra par exemple appeler
PO la phase pendant laquelle ce courant est haut et P180 celle pendant laquelle il est bas.

Un amplificateur-inverseur Il fournit, sous forme inversée, le signal de sortie du capteur H à la porte P2, si bien que les portes P1 et P2 reçoivent des commandes en opposition de phase, qui ne seront validées que lorsque leur seconde entrée sera à l'état vrai.

Les signaux PO et P180 sont par ailleurs appliqués via deux différentiateurs de type condensateur-résistance Rll-Cll et R12-C12 à deux autres inverseurs I11 et I12, dont les sorties sont réunies dans une porte ET P3, laquelle commande une seconde porte ET P4, montée en circuit monostable. Cette fonction monos table est réalisée par le fait que la seconde entrée de la porte ET P4 reçoit la sortie, à travers un condensateur C5 et une résistance R6, tandis que le point commun de ces deux éléments est ramené à la tension +V à travers une résistance R7.

On notera que lorsque les signaux différentiés appliqués aux inverseurs I11 et I12 sont des impulsions à front descendant, les impulsions négatives obtenues à la sortie de la porte El P3 comnandent la porte ET P4.

A la sortie de la porte ET P3, on obtient un signal indicatif d'un changement d'état de la sortie du capteur à effet
Hall H. L'hcmme de l'art comprendra que l'on peut imaginer d'autres montages que celui de la figure 3 à cet effet.

Ce signal, que l'on peut appeler de transition, va exciter l'étage monostable articulé autour de la porte ET P4, et la sortie de celui-ci ne passe à l'état vrai qu'au bout d'un certain temps défini par la constante de temps que fournissent le condensateur C5 et les résistances R6 et
R7 (abstraction faite pour le moment des autres parties du montage). Dans ce cas, les portes ET P1 et ET P2 ne seront validées qu'après un retard par rapport au début de la phase respective qui les concerne. I1 en résulte, comme visible sur la figure 4A, que le courant Il ne sera appliqué à l'enroulement de stator LSl qu'après un certain retard TR par rapport au début de la phase PO.

De même, comme visible sur la figure 4B, le courant I2 ne sera appliqué à l'autre enroulement de stator LS2 qu'après un retard TR par rapport au début de la phase P180.

De façon a priori surprenante, il a été observé que le moteur ainsi constitue ne présente aucun problème de démarrage ni de fonctionnement, malgré le retard auquel se trouve soumise l'application du courant à chacun des enroulements de stator, en alternat.

Mieux même, il a été observé que le retard, qui peut être commandé, va se trouver lié à la diminution de vitesse du moteur,. pour une tension d'alimentation constante, ou à une vitesse stable, si la tension d'alimentation varie dans certaines limites, qui sont beaucoup plus larges que celles de la technique antérieure. Le retard peut être lié aussi à l'augmentation de la tension d'alimentation.

Cette disposition présente un avantage industriel considéra brie, car il devient alors possible de fabriquer un seul et même type de ventilateur, dans lequel toutes les pièces seront identiques, du bobinage au composant électronique, sauf une résistance qui détermine le --retard. C'est cette résistance qui fixe la vitesse du moteur pour une tension d'alimentation donnée.

La figure 3 fait encore apparaître une diode D8 reliée par l'intermédiaire d'une résistance R9 à un potentiomètre P10.

Ce potentiomètre a pour effet de rendre variable l'une des résistances définissant la constante de temps et, par conséquent, de permettre l'ajustement du retard, aux fins qu'on vient d'indiquer.

L'home de l'art comprendra que la fabrication du moteur selon l'invention est grandement simplifiée, puisqu'on peut par exemple se contenter d'un seul modèle convenant pour des tensions d'alimentation aussi diverses que 5, 12, 24, 36 et 48 volts, avec au moins deux vitesses nominales telles que 1500 tours/minute et 3000 tours/minute. Ceci permet donc de remplacer dix modèles selon la technique antérieure par un seul selon l'invention.

Le potentiomètre P10 peut être utilisé pour permettre le réglage du fonctionnement du moteur selon les besoins, ou bien on peut incorporer à chaque moteur une valeur différente des résistances associées au circuit monostable défini autour de la porte ET P4.

On décrira maintenant quelques applications plus particulières intéressant spécialement la ventilation. En disposant.

une résistance variable en fonction de la température dans le flux d'air traversant le ventilateur, et en montant cette résistance dans le circuit monostable, on peut faire en sorte d'ajuster la vitesse du ventilateur en fonction de la température de l'air à faire circuler.

Une variante consiste à prévoir un moyen capteur tel qu'une photodiode permettant de détecter la turbidité du flux d'air traversant le ventilateur, et d'ajuster en conséquence la vitesse de rotation de celui-ci. D'autres typee de capteurs permettent de faire de même en fonction des détections de gaz, ou de fumée, par exemple.

Dans une variante intéressante de l'invention, le potentiomètre P10 peut être remplacé par un amplificateur-inverseur monté en intégrateur, par exemple en intégrateur de Miller, et recevant comme signal d'entrée - soit l'image de la tension d'alimentation, pcr= obtenir une vitesse constante quelle que soit la tension d'alimentation, - soit une information de tension issue d'un pont formé d'une résistance et d'un capteur résistif sensible à une grandeur électrique ambiante, pour obtenir une vitesse liée à la variation de résistivité dudit capteur, - soit une tension extérieure, laquelle peut être liée par exemple à la vitesse du moteur entrainant les pales de l'hé- lice.

Bien entendu, le même amplificateur-inverseur peut recevoir plusieurs signaux de tension en entrée, pour exercer une fonction de régulation combinant différents facteurs sensibles.

Bien entendu, la présente invention n'et pas limitée au mode de réalisation décrit. Elle peut s'appliquer par exemple à un moteur qui ccmporterait plus de deux paires de pôles.

Elle n'est pas limitée ron plus au schéma illustré-à-propos de la figure 3, que l'or. peut remplacer par des moyens équivalents, utilisant par exemple un microprocesseur, si l'on désire une fonction de régulation sophistiquée.

Claims (6)

Revendications. I. Moteur à ccurant continu sans collecteur, comprenant un rotor formant aimant annulaire, un stator à deux paires de pôles au moins munis d'enroulements commandés, un capteur < H) tel qu'une cellule à effet Hall, propre à détecter le passage du début de l'une quelconque des pièces paires (PS1 à PS4)du stator en un point prédéterminé du rotor, et des moyens de commande des enroulements (LS1,LS2) du stator à l'aide de deux transistors de commutation (Q1,Q2) opérant en alternat en fonction du signal issu dudit capteur, caractérisé en ce que ces moyens de commande agissent à chaque fois pour fermer le transistor de commutation concerné après un retard et pour le reste de la période de commande du stator.
1. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent deux voies, recevant respectivement les deux phases opposées (PO,P180) du signal issu du capteur (H), et comprenant chacune une porte de commande (P1,P2) d'un transistor de commutation respectif (Q1,Q2), tandis qu'est également prévu un étage séparé pour détecter le début de chaque phase, et valider les deux portes (P1,P2) après un retard par rapport à ce début 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage séparé comprend une porte ET (P3) suivie d'un circuit monostable (P4).
2. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit monostable (P4) est connecté à un montage pilote.
3. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le montage pilote comprend un potentiomètre (P10) de réglage de vitesse.

   s. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor est accouplé à un ventilateur.
4. 7. Moteur selon l'une des revendications 4 et 5, prises en combinaison avec la revendication 6, caractérisé en ce que le montage pilote comprend une résistance sensible à la température.
5. 8. Moteur selon l'une des revendications 4, S et 7, prises en combinaison avec la revendication 6, caractérisé en ce que le montage pilote est au moins en partie défini par un capteur photoélectrique sensible à la turbidité de l'air traversant le ventilateur.
6. 9. Moteur selon l'une des revendications 4, 5, 7 et 8, caractérisé en ce que le montage pilote comprend un amplificateur-intégrateur.