FR3010851A1 - Machine electrique comprenant au moins un capteur integre pour la detection de la position des poles magnetiques de son rotor - Google Patents

Abstract

Machine électrique (1) comportant un rotor (2) incluant à sa surface au moins deux zones de perméabilités magnétiques distinctes (7), et un stator (5) incluant au moins deux bobines de puissance (4A-4A', 4B-4B', 4C-4C') aptes à générer un champ magnétique principal, ainsi qu'au moins un capteur (6A, 6B, 6C, 46A, 56A) générant un signal représentatif de la position angulaire du rotor par rapport au stator, caractérisé en ce que le capteur est solidaire de la face interne du stator et qu'il comporte : - un support (10) à base d'un matériau ferromagnétique de forme allongée, l'axe de plus grande dimension du support étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rotor (2) ; - un circuit électrique formant au moins une bobine de lecture (15A, 15B, 15C) enroulée autour du support.

Description

MACHINE ELECTRIQUE COMPRENANT AU MOINS UN CAPTEUR INTEGRE POUR LA DETECTION DE LA POSITION DES POLES MAGNETIQUES DE SON ROTOR DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine technique des machines électriques dont le rotor présente des accidents de perméabilité sur sa circonférence. Il peut s'agir de machines à pôles magnétiques saillants, et en particulier les machines à reluctance variable pour lesquelles l'invention sera décrite plus en détail. Il peut toutefois également s'agir de machines dont le rotor est à pôles lisses, et qui comporte des encoches dans son circuit magnétique, formant des zones de variation brusque de la perméabilité magnétique. Plus précisément, l'invention porte sur les machines électriques comprenant au moins un capteur intégré permettant de déterminer la position angulaire du rotor.

L'invention porte également sur une chaîne de commande permettant le fonctionnement de la machine en mode autopiloté, en mode moteur et/ou en mode générateur, à partir des mesures réalisées par un ou plusieurs capteurs intégrés. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE De façon générale, dans les moteurs électriques à pôles saillants, l'alimentation des bobines de puissance présentes dans le stator doit être synchronisée en fonction de la position des pôles magnétiques du rotor pour permettre un bon fonctionnement du moteur. C'est pourquoi il est nécessaire de connaître à tout moment la position précise des pôles magnétiques du rotor par rapport aux bobines de puissance pour commander correctement leur alimentation. Cette information peut être calculée en temps réel à l'aide de modèles estimateurs. Lorsque le calcul en temps réel s'avère trop complexe, du fait par exemple de conditions d'exploitation sévères (fort couple au démarrage, fonctionnement en régime saturé), l'utilisation de tels modèles ne permet pas d'obtenir une précision suffisante pour permettre le bon fonctionnement du moteur. Le recours à un dispositif de détection s'impose alors pour des raisons de fiabilité et de sécurité.

Les dispositifs de détection connus diffèrent en fonction du régime d'alimentation des bobines de puissance. Lorsque les bobines de puissance sont alimentées en régime sinusoïdal et produisent un champ tournant autour du rotor, des dispositifs de détection -2- de résolution élevée de type synchro/résolveur sont employés. Lorsque le moteur électrique utilise un champ tournant commuté, généré par une alimentation séquentielle des bobines de puissance, des dispositifs de détection à faible résolution de type sonde à effet Hall sont préférés.

Par exemple, lorsque le rotor possède une polarisation magnétique permanente ou bien s'il présente une saillance magnétique (pôles saillants, rotor encoché), la position du rotor peut être connue par l'intermédiaire d'un dispositif mesurant la variation d'impédance aux bornes des bobines de puissance à partir d'un courant porteur. La position du rotor peut également être déterminée en mesurant la variation d'impédance aux bornes de bobines de lecture complémentaires, chaque bobine de lecture étant enroulée autour d'une bobine de puissance. Ces dispositifs de détection sont relativement couteux et compliqués à mettre en oeuvre. De plus, ils sont d'efficacité et de précision limitées. En effet, les bobines de puissance créent des champs magnétiques à haute fréquence (sous l'effet du contrôle par modulation de largeur d'impulsion ou par hystérésis) qui noient le signal utile mesuré par le dispositif de détection dans un bruit dont il est difficile voire impossible de s'affranchir. Par exemple, dans le cas des moteurs à réluctance variable, l'impédance de la bobine de lecture est non seulement modulée principalement par la position du rotor mais également en partie par l'intensité du courant qui circule dans la bobine de puissance selon une relation non-linéaire. Dans ce cas, la discrimination des deux sources de modulation de l'impédance est impossible, du fait du bruit électromagnétique élevé qui caractérise l'entrefer d'une machine électrique à commutation électronique. Pour obtenir des mesures plus précises, il est alors nécessaire de placer le dispositif de détection hors de l'influence des champs magnétiques régnant dans le moteur, c'est-à-dire en pratique à l'extérieur du moteur électrique en le fixant au bout de son arbre.

Cette solution présente les inconvénients d'augmenter l'encombrement du moteur ainsi que sa masse et de complexifier sa connectique. La présente invention vise notamment à résoudre les problèmes techniques mentionnés ci-dessus et plus particulièrement à proposer un dispositif permettant de détecter la position d'un rotor d'une machine électrique intégré dans la machine, simple à mettre en oeuvre, fiable et de meilleure sensibilité. -3- EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus, en proposant une machine électrique intégrant au moins un capteur permettant de détecter des accidents de perméabilité magnétique à la surface de son rotor. Plus précisément, le capteur est intégré dans la machine afin de réduire son impact dimensionnel et permettre une détection plus précise de variations relativement brusques de perméabilité, tout en bénéficiant de la sécurité apportée par l'utilisation d'un capteur physique.

L'invention a ainsi pour objet une machine électrique comportant un rotor incluant à sa surface au moins deux zones de perméabilités magnétiques distinctes, et un stator incluant au moins deux bobines de puissance aptes à générer un champ magnétique principal, ainsi qu'au moins un capteur générant un signal représentatif de la position angulaire du rotor par rapport au stator. Le rotor est en regard de la face interne du stator. L'invention se caractérise en ce que le capteur est solidaire de la face interne du stator, et qu'il comporte : - un support à base d'un matériau ferromagnétique de forme allongée, l'axe de plus grande dimension du support étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rotor ; - un circuit électrique formant au moins une bobine de lecture enroulée autour du support.

En d'autres termes, l'invention consiste à intégrer dans le moteur un circuit magnétique dédié, dont l'impédance varie en fonction de la position du rotor. Plus précisément, l'impédance du circuit magnétique varie en fonction de l'entrefer entre le capteur et le rotor.

On notera que le champ magnétique principal généré par les bobines de puissance dans la machine, est sensiblement invariant par translation le long de l'axe de rotation du rotor. Ainsi, afin de minimiser l'influence de ce champ magnétique sur les mesures d'impédance réalisées aux bornes du circuit électrique du capteur, l'axe de plus grande dimension du support est parallèle ou sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rotor, de sorte que le champ magnétique principal est homogène le long du capteur. Pour compenser les éventuelles composantes axiales symétriques de ce champ principal, on préfèrera que le centre du capteur soit centré axialement au milieu de la -4- machine électrique. Le circuit électrique du capteur forme au moins une bobine de lecture enroulée autour du support, de sorte que l'axe de la ou des bobines de lecture est compris dans un plan radial, c'est-à-dire passant par l'axe de rotation du rotor. L'axe d'une bobine est défini comme étant l'axe passant par le centre des spires constituant la bobine. Grâce à cette orientation, la ou les bobines de lecture sont traversées par un champ magnétique principal qui est quasi uniforme, et en tout cas symétrique, pour une position donnée du rotor.

De préférence, le capteur comporte une ou plusieurs bobines de lecture positionnées de sorte qu'un courant alimentant le circuit électrique du capteur, génère un champ magnétique dans la ou les bobines de lecture qui est antisymétrique par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor. Ainsi, le champ magnétique principal agit de façon symétrique sur les deux bobines de lecture, en induisant des forces contre- électromotrices opposées sur les portions du circuit électrique situées de part et d'autre du plan de symétrie. De ce fait, l'influence du champ magnétique principal sur la valeur de la tension induite mesurée aux bornes du circuit électrique est minime voire nulle.

En effet, lorsque le circuit électrique du capteur comporte une (ou plusieurs) bobines enroulées parallèlement à l'axe de rotation, les surfaces des spires sont parallèles au champ magnétique principal. Par conséquent, les forces électromotrices induites par le champ magnétique principal sont nulles en quasi-totalité ou totalement. De cette façon, le circuit électrique peut comprendre une ou plusieurs bobines de lecture enroulées sur une partie ou tout le long du support, générant peu ou pas de courants induits dus au champ magnétique principal. A l'inverse, lorsque les bobines du circuit électrique ne sont pas enroulées parallèlement à l'axe de rotation, la surface des spires de ces bobines n'est pas perpendiculaire à l'axe de plus grande dimension du support, et le champ magnétique principal génère dans ladite spire un courant induit non négligeable. Afin de minimiser la valeur de ce courant, une deuxième bobine de lecture est enroulée autour du support et connectée à la première bobine. La deuxième bobine est connectée et bobinée de sorte à générer un champ magnétique antisymétrique par rapport à la première bobine, selon un plan normal à l'axe de rotation du rotor. De cette façon, comme mentionné ci-dessus, la valeur de la tension induite par le champ magnétique principal dans le circuit -5- électrique est minimisée ou nulle. Autrement dit, la première et la seconde bobine de lecture comportent le même nombre de spires mais sont bobinées en sens inverse ou bien, elles sont symétriques par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor et connectées de sorte qu'un courant parcourant le circuit électrique circule en sens inverse dans les bobines de lecture. En d'autres termes, le circuit électrique comporte une première bobine de lecture enroulée autour d'un premier plot du support, et une seconde bobine enroulée autour d'un second plot, de sorte que ces bobines génèrent un champ magnétique antisymétrique par rapport à un plan transversal à l'axe de rotation du rotor, lorsque le circuit électrique est alimenté en courant. De la sorte, les effets générés par le champ principal sur la globalité du circuit électrique du capteur sont minimes ou nuls. Le principe décrit avec une paire de plots et de bobines peut se décliner avec plusieurs paires de bobines de lecture tel que décrit ci-dessus, enroulées autour d'autant de plots appartenant au support, les plots étant disposés dans un plan radial à l'axe de rotation du rotor, en respectant la symétrie des sources qui engendre une antisymétrie du champ magnétique.

En pratique, le capteur est positionné en regard du rotor. Il peut par exemple être fixé dans un évidement formé dans un pôle statorique, en regard du rotor, ou bien entre deux bobines de puissance. La forme allongée du capteur permet une intégration plus aisée de celui-ci entre les bobines de puissance. Le capteur est de préférence positionné à égale distance de deux bobines de puissance adjacentes, afin de minimiser l'influence du champ magnétique principal sur le circuit électrique du capteur. Le capteur est de préférence placé le plus près possible des pôles magnétiques du rotor de sorte que l'entrefer soit minimum entre le capteur et le rotor, pour permettre une variation de l'impédance la plus grande possible aux bornes du circuit électrique lors du fonctionnement de la machine. Par exemple, la valeur de cet entrefer peut être comprise entre 0 ,1 mm et quelques centimètres, en fonction de la taille globale de la machine. Le capteur peut être agencé sur une cale présente dans le stator, afin de régler de façon optimale la valeur de l'entrefer. -6- La machine peut comprendre plusieurs capteurs maintenus dans la machine par l'intermédiaire de deux anneaux centrés sur l'axe de rotation du rotor, placés de part et autre des bobines de puissance. Chaque anneau maintient une extrémité des capteurs. Ces moyens de maintien permettent de positionner plus rapidement et de façon plus précise les capteurs dans la machine, tout en permettant une meilleure circulation de l'air autour des bobines de puissance pour les refroidir. Pour éviter un échauffement trop important du capteur lors du fonctionnement de la machine, le support peut être réalisé sous la forme d'un bloc monolithique en poudre de fer ou de ferrite compressée, pour minimiser les courants de Foucault susceptibles d'être générés dans le support. Le support est donc de préférence composé d'un matériau magnétique possédant une bonne perméabilité à haute fréquence, tout en minimisant ses pertes.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'encombrement orthoradial du support, ou autrement dit la largeur du capteur mesurée circonférentiellement, peut être choisi en fonction du régime de la machine. Plus précisément, on pourra tirer certains avantages d'un encombrement du capteur plus important lorsque la vitesse de rotation nominale du rotor est élevée.

Pour des vitesses de rotation relativement faibles, on peut donc privilégier une largeur du capteur qui soit relativement réduite par rapport à la largeur d'un pôle magnétique du rotor. Un capteur d'encombrement plus petit permet de détecter de manière franche le passage d'un pôle du rotor à l'endroit du capteur, avec une forte rampe de variation de l'impédance mesurée. Par exemple, pour une vitesse de rotation du rotor comprise entre 3000 et 5000 tours par minute, la largeur du capteur peut être inférieure à 20% de la largeur d'un pôle magnétique du rotor. La largeur du capteur peut ainsi être inférieure à 3mm.

A l'inverse, un encombrement orthoradial plus important du capteur peut être privilégié pour un régime plus élevé. Un capteur plus large permet d'anticiper plus facilement le passage d'un pôle magnétique du rotor et de générer un signal de détection dont la variation d'amplitude est plus lente. Ainsi, le capteur délivre un signal plus simple à traiter pour une chaîne de commande décrite ci-dessous, ce qui est avantageux dans le cas des régimes élevés. Par exemple, pour une vitesse de rotation du rotor de l'ordre de 50 000 tours par minute, la largeur du capteur peut être supérieure à 20 % de la largeur d'un pôle magnétique du rotor. -7- Selon une autre caractéristique de l'invention, la face du support en regard du rotor peut comporter une échancrure, de manière à délimiter deux plots le long du support. Les plots permettent de créer à leur sommet deux pôles magnétiques saillants en vis-à- vis du rotor, facilitant la fermeture du circuit magnétique lorsque le rotor se trouve en face du capteur. En d'autres termes, les plots permettent de canaliser en direction du rotor, de façon plus précise, une partie du champ magnétique généré par le circuit électrique. De cette manière, la détection du passage d'un pôle magnétique du rotor à proximité du capteur est accrue. Bien entendu, de même que pour le support, l'encombrement orthoradial des plots par rapport à l'axe de rotation du rotor peut être choisi en fonction de la vitesse de rotation du rotor. Selon différentes variantes, le circuit électrique peut comprendre une bobine de lecture enroulée le long du support entre les deux plots, ou une paire de bobines enroulées chacune autour d'un plot. Eventuellement, la face avant du support peut comporter un nombre supérieur d'échancrures, pour permettre d'enrouler plusieurs paires de bobines antisymétriques autour des plots, de sorte que les polarités des bobines de lecture connectées en série soient alternées le long du capteur.

En pratique, on a obtenu de bons résultats de détection, avec des bobines de lecture comportant un nombre de spires compris entre 10 et 100. L'invention concerne également la chaîne de commande associée au capteur, commandant au moins une bobine de puissance de la machine électrique. Cette chaine de commande assure l'alimentation électrique de la ou des bobines de puissance, qui est donc pilotée à partir des mesures de position du rotor réalisées par le capteur. La chaîne de commande comprend de façon globale un dispositif de mesure, un dispositif de contrôle et un dispositif d'alimentation associé à une ou plusieurs bobines de puissance. Le dispositif de mesure est couplé au capteur et permet d'extraire un signal reflétant principalement la variation de l'impédance aux bornes du circuit électrique, plus précisément la variation d'inductance aux bornes de la ou des bobines de lecture.

Le dispositif de contrôle est couplé au dispositif de mesure et permet de calculer les moments où une ou plusieurs bobines de puissance doivent être alimentées par le -8- dispositif d'alimentation, pour produire le couple souhaité, à la vitesse voulue. En pratique, la chaîne de commande peut également effectuer une tâche de calibration comme expliqué ci-dessous, afin d'ajuster les ordres du dispositif de contrôle.

Dans une première version simplifiée, on peut choisir un nombre de capteurs identique au nombre de phases du moteur. Selon une variante de réalisation plus perfectionnée, chaque phase peut être équipée d'une paire de capteurs. Plus précisément, au moins une bobine de chaque phase peut être encadrée par deux capteurs disposés de chaque côté de cette bobine. Ainsi, quel que soit le sens de rotation du rotor, un des deux capteurs associés à une phase peut détecter en avance le passage d'un pôle magnétique du rotor.

En pratique, chaque phase d'un courant électrique peut alimenter deux bobines de puissance, disposées symétriquement, et une paire de capteurs peut être associée à la paire de bobines. De préférence, afin d'optimiser l'encombrement des capteurs dans la machine, la paire de capteurs est disposée de part et d'autre d'une seule des deux bobines. Bien entendu, le même principe peut se décliner lorsque chaque phase comporte plus de deux bobines réparties équi-angulairement. Chaque capteur est de préférence associé à une chaîne de commande distincte, contrôlant l'alimentation d'une ou plusieurs bobines de puissance par une même phase de courant. Cette affectation permet avantageusement le fonctionnement du moteur dans un mode autopiloté. Par le terme « autopiloté », on entend que chaque chaîne de commande contrôle la ou les bobines de puissance d'une même phase indépendamment des autres chaînes. L'invention peut également inclure un procédé de calibration de la chaîne de commande qui peut se faire soit avant le démarrage, soit pendant le fonctionnement de la machine électrique. Dans les deux cas, le procédé de calibration comprend les étapes suivantes : a) comparaison par le dispositif de contrôle de la valeur du signal délivré par le dispositif de mesure par rapport à une valeur de référence ; b) dans le cas où ces valeurs ne sont pas identiques, le dispositif de contrôle ajoute ou soustrait une composante continue au signal mesuré pour délivrer un signal utile correspondant à la valeur de référence. -9- Le procédé de calibration peut être reproduit pour toutes les chaînes de commande associées à la machine électrique, de manière à calibrer de la même façon l'ensemble des chaînes de mesure.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels : - la figure 1 est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une machine électrique selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma simplifié en perspective d'un capteur intégrable dans une machine électrique selon l'invention ; - la figure 3A est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'une machine électrique comprenant un premier type de capteur selon l'invention ; - la figure 3B est un graphique représentant la variation de l'impédance aux bornes d'un capteur selon la figure 3A en fonction de la position du rotor ; - la figure 4 est un schéma simplifié en perspective d'un autre mode de réalisation d'un capteur intégrable dans une machine électrique selon l'invention ; - la figure 5 est un diagramme de fonctionnement simplifié d'une chaîne de commande contrôlant l'alimentation d'une paire de bobine de puissance, en fonction des mesures réalisées par un capteur selon la figure 3A ; - la figure 6A est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'une machine électrique comprenant un deuxième type de capteur selon l'invention ; - la figure 6B est un graphique représentant la variation de l'impédance aux bornes d'un capteur selon la figure 6A en fonction de la position du rotor ; - la figure 7 est un diagramme de fonctionnement simplifié d'une chaîne de commande contrôlant l'alimentation d'une paire de bobine de puissance, en fonction des mesures réalisées par un capteur selon la figure 6A ; - la figure 8 est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une machine électrique selon l'invention.35 -10- EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION L'objet de la présente demande concerne une machine électrique intégrant un dispositif de détection ou capteur, permettant de déterminer en temps réel la position du rotor.

L'invention vise plus particulièrement à proposer un capteur facilement intégrable dans la machine, fiable et de meilleure sensibilité. Sans restreindre l'objet de l'invention, plusieurs exemples de réalisation sont décrits ci-après en considérant le cas d'une machine électrique triphasé de type synchrone.

Ce type de machine électrique est connu de l'état de la technique de sorte qu'il n'est pas nécessaire de la décrire en détails. Dans la configuration illustrée à la figure 1, la machine électrique 1 qui est reliée à une source triphasée, comporte un rotor 2 à pôles magnétiques saillants solidarisé à un arbre de transmission 3. Chaque phase alimente une paire de bobines de puissance 4A- 4A', 4B-4B' et 4C-4C' de manière à générer un champ magnétique principal tournant à l'intérieur du stator 5. Les pôles magnétiques du rotor suivent ce champ magnétique principal de manière à minimiser la valeur de leur entrefer avec les bobines de puissance. Dans la suite de la description, la machine électrique est préférentiellement décrite dans un fonctionnement moteur, étant entendu qu'elle peut également être utilisée en générateur dans un autre mode de réalisation. Selon un exemple de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le moteur intègre trois dispositifs de détection ou capteurs 6A, 6B et 6C permettant de connaître précisément la position des pôles magnétiques 7 du rotor par rapport aux bobines de puissance. Les capteurs sont placés entre les bobines de puissance de manière à minimiser les effets de leur champ magnétique sur les capteurs. De préférence, les capteurs sont donc positionnés à égale distance de deux bobines de puissance adjacentes. Cette position permet ainsi de limiter les effets d'intermodulation générés par lesdites bobines dans les capteurs. Les capteurs 6A, 6B et 6C sont indépendants entre eux et permettent la détection de la position des pôles magnétiques 7 du rotor par rapport à la paire de bobines de puissance à laquelle ils sont associés. Ainsi, comme expliqué ci-dessous, chaque capteur peut faire partie d'une chaîne de commande 100 contrôlant l'alimentation d'une paire de bobines de puissance par une même phase d'un courant polyphasé.

Dans un souci d'homogénéité, les capteurs sont identiques. Ils comprennent un support 10 monobloc en poudre de fer compressé ou de ferrite. De la sorte, les grains isolés de la poudre assurent la minimisation de courants de Foucault circulant dans le support. Un autre avantage lié à l'utilisation de grains isolés d'un matériau composite est de permettre le moulage du support selon des formes variées. Selon un premier exemple de réalisation illustré à la figure 2, le support du capteur est de forme allongée, et son axe de plus grande dimension est colinéaire à l'axe (AA'). Il comporte une échancrure 11 de manière à délimiter deux plots identiques sur une face avant 12 du support. Les plots sont alignés selon l'axe (AA'). Un fil conducteur 13 est enroulé autour d'un premier plot 14A comprenant un sommet 16A, puis autour d'un second plot 14B comprenant un sommet 16B, de sorte à former respectivement une première bobine de lecture 15A et une seconde bobine de lecture 15B. Les bobines de lecture comportent le même nombre de spires mais le sens d'enroulement du fil entre les deux plots est inversé. Ainsi, chaque bobine de lecture génère un champ magnétique, qui est antisymétrique par rapport à un plan transverse de la machine. A titre d'exemple, on a obtenu de bons résultats avec un support monobloc ayant une longueur (L) selon l'axe (AA') de 32 mm, une largeur (1) selon l'axe (BB') de 2,4 mm, une épaisseur (H) de 0,8 mm selon un axe normal aux deux précédents et un fil conducteur de diamètre de 0,2 mm formant 10 spires autour de chaque plot. Les capteurs 6A, 6B et 6C sont positionnés entre les bobines de puissance de sorte que la face avant 12 du support 10 se trouve en regard et le plus proche possible des pôles magnétiques 7 du rotor 2. Les capteurs sont également positionnés dans le moteur de sorte que leur plus grand axe soit parallèle à l'axe de rotation de l'arbre de transmission du moteur. La forme allongée des capteurs permet avantageusement leur intégration de façon plus aisée entre les bobines de puissance, en réduisant leur encombrement orthoradial dans le moteur.

Les capteurs sont maintenus entre les bobines de puissance par des moyens de maintien (non représentés sur les figures). Les capteurs sont recouverts par une résine fixant les capteurs contre la face interne du stator. Afin d'optimiser l'entrefer entre le sommet des plots des capteurs et les pôles saillants du rotor, une cale peut être interposée entre les capteurs et le stator. Selon un mode de réalisation préféré permettant un meilleur refroidissement des bobines de puissance par convection thermique, les moyens de maintien sont composés de deux anneaux centrés sur l'axe de rotation du rotor et positionnés de part et d'autre des bobines de puissance. Les -12- extrémités des capteurs sont maintenues par les anneaux. De cette façon, la circulation de l'air est favorisée entre les bobines de puissance pour permettre leur refroidissement plus rapidement.

Les capteurs positionnés présentent un plan d'antisymétrie coïncidant avec un plan axial médian du moteur. Autrement dit, les capteurs rompent l'invariance de symétrie du champ magnétique principal présent le long du moteur. La forme et la position des capteurs permettent avantageusement d'obtenir des mesures plus précises de la position des pôles magnétiques du rotor, en minimisant le rapport signal/bruit comme expliqué ci-après. En relation avec les figures 3A et 3B, un capteur selon l'invention, par exemple le capteur 6A, permet de déterminer la position des pôles 7 du rotor 2 en mesurant la variation de l'impédance Z aux extrémités de son fil conducteur 13. Plus précisément, un courant électrique parcourant le fil conducteur crée deux champs magnétiques de sens inverses au niveau des bobines de lecture 15A et 15B. Lorsqu'aucun pôle 7 du rotor n'est en face du capteur 6A (par exemple pour a = 0), le champ magnétique formé par les deux bobines de lecture se referme dans l'air au niveau des sommets 16A et 16B du capteur. L'impédance de ce circuit se caractérise alors par une valeur basse ZA. A l'inverse, le circuit magnétique se caractérise par une impédance de valeur haute ZB, lorsqu'il est quasi-fermé par un pôle magnétique 7 du rotor (par exemple pour a = n/4). La variation d'impédance du capteur 6A en fonction de la position du rotor 2 est représentée sur la figure 3B. Ce signal dénommé ci-dessous signal utile 9A varie entre deux valeurs extrêmes ZA et ZB lors de la rotation du rotor.

Dans cet exemple, la largeur des capteurs est relativement étroite par rapport à l'espace entre les bobines de puissance, afin de mesurer plus précisément la position des pôles magnétiques du rotor par rapport au capteur.

On conçoit que les bobines de lecture 15A et 15B sont également sensibles aux champs magnétiques les entourant, notamment aux composantes perturbatrices magnétiques à large bande générées par l'alimentation des bobines de puissance. Pour renforcer le découplage vis-à-vis de ces champs magnétiques internes, la mesure de l'impédance est faite avec un courant porteur de fréquence suffisamment éloignée par rapport à la fréquence du courant circulant dans les bobines de puissance. La fréquence de ce courant porteur peut être à titre d'exemple 10 fois supérieure à la fréquence d'alimentation des bobines de puissance. La forme des capteurs et leur positionnement -13- entre les bobines de puissance sont donc choisis de sorte que leurs bobines de lecture baignent de façon similaire dans le champ magnétique principal provenant des bobines de puissance. Le bobinage inversé des bobines de lecture 15A et 15B permet de façon avantageuse de capter ce champ magnétique principal mais de façon inverse.

L'influence perturbatrice du champ principal est donc en grande partie neutralisée en termes de tension induite mesurée aux bornes du capteur 6A. La variation d'impédance mesurée aux bornes du capteur est donc minime concernant l'influence du champ magnétique principal. Ainsi, le capteur permet de mesurer un signal qui est peu ou pas dépendant d'un champ magnétique englobant de façon similaire chaque bobine de lecture. Selon un deuxième exemple de réalisation des capteurs, illustré à la figure 4, le fil conducteur 13 forme une seule bobine de lectures 15C enroulée le long de l'échancrure 11 du support 10 pour former un capteur 46A. Ce mode de réalisation offre l'avantage d'être plus simple à mettre en oeuvre et permet l'obtention d'une bobine de lecture 15C comprenant un nombre de spires plus important par rapport aux bobines de lecture 15A et 15B, notamment en augmentant la longueur de l'échancrure. De même que pour l'exemple ci-dessus, le positionnement de la bobine de lecture autour du support permet de limiter la valeur de la force électromotrice induite dans la bobine de lecture par le champ magnétique principal. En effet, l'axe de la bobine 15C est sensiblement normal aux champs magnétiques générés par les bobines de puissance. De ce fait, les forces électromotrices induites par ces champs dans la bobine 15C s'annulent au moins en partie.

Bien entendu, différentes variantes de géométrie peuvent être envisagées pour les capteurs dès lors que ces variantes répondent au principe de l'invention, selon lequel le circuit électrique forme une ou plusieurs bobines de lecture enroulées autour du support 10 et positionnées dans un plan radial, passant par l'axe de rotation du rotor. Plus précisément, la ou les bobines de lectures sont enroulées autour du capteur de sorte qu'un courant alimentant le circuit électrique, génère un champ magnétique dans la ou les bobines de lecture qui est antisymétrique par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor. Ainsi, le champ magnétique principal modifie de façon opposée le champ magnétique dans la ou les bobines de lecture. De ce fait, l'influence du champ magnétique principal sur la valeur de la tension induite mesurée aux bornes du circuit électrique est minimisée ou s'annule. -14- Si les effets des composantes perturbatrices des champs magnétiques créés par les bobines de puissance sont en grande partie neutralisés grâce à la topologie et le positionnement du capteur dans le moteur, le signal mesuré 19A aux extrémités du fil conducteur 13 peut néanmoins comporter des bruits d'origines divers (défaut de symétrie de la machine, diaphonie capacitive ou inductive entre les circuits électriques du capteur et les circuits de puissance...). Plusieurs signaux se superposent alors et peuvent brouiller le signal utile 9A. Tel qu'illustré en figure 5, le dispositif de mesure 20A décrit ci-dessous permet d'optimiser l'extraction de ce signal utile 9A du signal mesuré 19A. Le dispositif de mesure 20A exploite un procédé de détection synchrone par l'intermédiaire d'un oscillateur 21. L'oscillateur délivre aux bornes du capteur 6A un courant porteur de façon générale bien supérieure à la fréquence de découpage du signal appliqué aux bobines de puissance, compris par exemple entre 10 kHz et 30kHz, et typiquement de l'ordre de dix fois la fréquence maximale de circulation du courant de puissance. Une résistance 22 relativement élevée par rapport à l'impédance du capteur est interposée entre le capteur et l'oscillateur, afin de former une source de courant d'intensité quasi-constante. Le présent exemple et les exemples ci-dessous sont bien évidement réalisables avec un capteur illustré à la figure 4, et en utilisant une source de tension à la place de la source de courant. La tension électrique aux bornes du capteur et la tension électrique de référence générée par l'oscillateur sont appliquées aux bornes d'un multiplieur 23. Le multiplieur assure la démodulation du signal 19A, et permet la détection de l'amplitude de la tension induite aux bornes du capteur. Le multiplieur peut comporter une entrée offset permettant d'ajuster la valeur du signal qu'il délivre à un filtre moyenneur 24. Le filtre moyenneur 24 supprime les harmoniques à haute fréquence du signal généré par le multiplieur 23. Autrement dit, l'ensemble multiplieur - filtre moyenneur se comporte comme un démodulateur sélectif éliminant toute composante à haute fréquence autre que la fréquence porteuse du signal utile 9A mesuré aux bornes du capteur. La bande passante du dispositif de mesure 20A est déterminée par la fréquence de coupure du filtre moyenneur 24. Le dispositif de mesure délivre un signal 29A de type binaire similaire au signal utile 9A, c'est-à-dire, reflétant principalement l'influence des pôles magnétiques 7 sur le capteur 6A. -15- L'invention concerne également un dispositif de contrôle 30A. Ce dispositif comprend un comparateur à hystérésis 31 permettant de détecter les niveaux haut et bas du signal 29A délivré par le filtre moyenneur 24, et un déphaseur à fréquence variable 32. Eventuellement, il peut commander la valeur de l'offset du multiplieur 23A. Plus généralement, le dispositif de contrôle désigne un composant électronique apte à réaliser des calculs à partir de valeurs mémorisées et/ou mesurées. Le dispositif de contrôle est selon le présent exemple un circuit électronique de type microcontrôleur. Le déphaseur à fréquence variable 32 permet de délivrer un signal 39A déphasé par rapport au signal 29A. L'angle du déphasage est choisi par le dispositif de contrôle de sorte à optimiser le moment où les bobines de puissance 4A sont mises sous tension par un dispositif d'alimentation 40A commandé par le dispositif de contrôle 30A. Le dispositif de contrôle 30A permet ainsi d'optimiser le fonctionnement des bobines de puissance 4A.

L'ensemble formé du dispositif de mesure 20A, du dispositif de contrôle 30A et du dispositif d'alimentation 40A forment une chaîne de commande 100. Cette chaîne de commande permet la conversion du signal 19A mesuré aux bornes du capteur 6A, en un courant optimisé 49A alimentant la paire de bobine de puissance 4A.

A présent la figure 6A illustre un autre mode de réalisation de l'invention. A la différence de l'exemple précédent, le capteur 6A est substitué par un capteur 56A se différenciant du capteur 6A par un encombrement orthoradial plus important par rapport à l'axe de rotation du rotor 2. Le capteur 56A a une largeur inférieure à 20% de la largeur d'un pôle magnétique du rotor. Tel qu'illustré à la figure 6B, une largeur plus importante du capteur permet d'augmenter le temps pour que l'impédance du capteur varie entre les deux valeurs extrêmes ZA et ZB. Il est ainsi possible de s'affranchir du déphaseur à fréquence variable 32 dans le dispositif de contrôle 30A. Comme représenté en figure 6B, le signal 39A peut être déphasé par rapport au signal 29A en modifiant la valeur des seuils de détection haut SA et de détection bas SB du comparateur à hystérésis 31. De cette façon, les plages de valeurs hautes Sc et basses SB du signal 39A sont décalées. Ce mode de réalisation de l'invention est plus économique par rapport à l'exemple mentionné ci-dessus. En effet, comme illustré à la figure 7, l'utilisation d'un capteur de largeur plus importante permet au niveau de la chaîne de commande associée au capteur, de ne plus utiliser de déphaseur 32 dans le dispositif de contrôle 30A. Ce mode de réalisation permet également de contrôler le déphasage entre le signal 29A et le signal 39A pour des plages de vitesse de rotation -16- très larges, pouvant être comprises entre zéro et la fréquence maximale de rotation du moteur. Il est à noter que les valeurs des seuils de détection du comparateur à hystérésis peuvent être modifiées par un opérateur ou bien par le dispositif de contrôle 30A.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 8, une machine électrique 1 peut comporter une bobine de puissance 4A encadrée par deux capteurs 6A et 6A'. Les deux capteurs peuvent être couplés à une même chaîne de commande et ainsi permettre de détecter en avance le passage du rotor sur la bobine quel que soit son sens de rotation. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, chaque paire de bobine de puissance 4A-4A', 4B-4B' et 4C-4C' peut être alimentée de façon autonome en dupliquant l'une des chaînes de commande 100A décrites ci-dessus. La machine peut ainsi fonctionner en mode autopiloté et la ségrégation entre les paires de bobines de puissance est renforcée, permettant ainsi d'avoir un fonctionnement éventuellement dégradé avec une voire plusieurs phases inactives. Lors du fonctionnement du moteur, la valeur moyenne et/ou l'amplitude du signal délivré par les dispositifs de mesure 20A, 20B et 20C peut varier pour chaque chaîne. Ces variations peuvent être dues à de légères dissymétries de montage des capteurs, des tolérances des composants constituant les dispositifs de mesure, des dérives thermiques, etc. Par exemple, une légère inclinaison et/ou un léger déplacement du capteur par rapport à l'axe de rotation du rotor peut modifier la valeur moyenne et l'amplitude d'impédance mesurée. De ce fait, il peut être avantageux de régler le niveau moyen et/ou l'amplitude du signal délivré par chaque dispositif de mesure afin de permettre l'utilisation d'un dispositif de contrôle identique pour tous les capteurs. Cela permet notamment de standardiser les chaînes de commande et ainsi réduire leur coût de réalisation.

L'invention concerne également un procédé de calibrage des chaines de commande 100A, 100B et 100C illustrée à la figure 1. Selon une première étape d'un procédé de calibration dit « statique », le dispositif de contrôle 30A met sous tension la paire de bobine de puissance 4A, 4C, de sorte l'entrefer entre le capteur 6A et le rotor 2 soit maximum et maintenu constant. De cette façon, la valeur du signal 29A délivré par le dispositif de mesure 20A est maximale. -17- Selon une seconde étape, le dispositif de contrôle 30A modifie la valeur de la composante continue (offset) du multiplieur 23A de sorte que la valeur maximale du signal 29A corresponde à une valeur de référence.

Selon une troisième étape, la première et la seconde étape sont reproduites pour les chaînes de mesure 100B et 100C. Selon une variante du procédé de calibration précédent, dite « dynamique » car réalisée lors du fonctionnement de la machine électrique 1, le dispositif de contrôle 30A calcule la valeur moyenne du signal 29A généré par le dispositif de mesure 20A lors d'une première étape. Dans le cas où cette valeur n'est pas égale à zéro, le dispositif de contrôle 30A modifie la composante continue du multiplieur 23A pour atteindre cette valeur lors d'une seconde étape. Ce procédé de calibration dynamique est reproduit pour chaque chaîne de commande associée à la machine. L'invention concerne aussi un procédé de contrôle dynamique du régime du moteur. Selon une première étape, le dispositif de contrôle 30A compare en temps réel les mesures réalisées par le dispositif de mesure à une valeur de référence. La valeur de référence correspond à un comportement optimum du moteur en fonction de son régime de fonctionnement, la valeur de référence est issue d'une courbe d'étalonnage de la machine. Dans le cas où ces deux valeurs ne sont pas identiques, lors d'une seconde étape le dispositif de contrôle modifie la valeur des seuils de détection haut SA et de détection bas SB du comparateur à hystérésis 31 afin de déphaser le signal 29A jusqu'à ce que les deux valeurs soient identiques. Le procédé de contrôle dynamique du régime du moteur est réalisé au niveau de chaque chaîne de commande associée au moteur. En conclusion, l'invention permet la réalisation de machines électriques intégrant un ou plusieurs capteurs détectant la position des pôles magnétiques de leur rotor. L'utilisation d'un capteur physique assure une meilleure fiabilité par rapport à un calcul modélisant la position du rotor. D'autre part, l'utilisation d'un capteur pour commander l'alimentation par une même phase d'un courant une ou plusieurs bobines de puissance, permet un fonctionnement optimal de la machine électrique en mode autopiloté, selon un mode moteur ou générateur. -18- De plus, la ségrégation entre les capteurs permet de limiter les risques de panne de la machine en mode moteur. En effet, un défaut d'un capteur n'entrainera pas un défaut d'alimentation de toutes les bobines de puissance. De façon avantageuse, les autres chaînes de commande peuvent alors ajuster l'alimentation de leurs bobines associées pour compenser la panne du capteur et permettre un fonctionnement normal ou quasi normal du moteur. La présente demande propose ainsi une machine électrique plus sûre et plus souple d'utilisation.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Machine électrique (1) comportant un rotor (2) incluant à sa surface au moins deux zones de perméabilités magnétiques distinctes (7), et un stator (5) incluant au moins deux bobines de puissance (4A-4A', 4B-4B', 4C-4C') aptes à générer un champ magnétique principal, ainsi qu'au moins un capteur (6A, 6B, 6C, 46A, 56A) générant un signal représentatif de la position angulaire du rotor par rapport au stator, caractérisé en ce que le capteur est solidaire de la face interne du stator et qu'il comporte : - un support (10) à base d'un matériau ferromagnétique de forme allongée, l'axe de plus grande dimension du support étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rotor (2) ; - un circuit électrique formant au moins une bobine de lecture (15A, 15B, 15C) enroulée autour du support.
2. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le centre du capteur est centré axialement au milieu de la machine électrique (1).
3. 3. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, la ou les bobines de lecture (15A, 15B, 15C) ont un axe compris dans un plan radial passant l'axe de rotation du rotor.
4. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, la face du support (12) en vis-à-vis du rotor (2) comporte une échancrure (11), de manière à délimiter au moins deux plots (14A, 14B) le long du support (10).
5. 5. Machine électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que, lorsque le circuit électrique comporte une première et une seconde bobines de lecture (15A, 15B) enroulées autour respectivement d'un premier et d'un deuxième plot (14A), de sorte que lesdites bobines (15A, 15B) génèrent un champ magnétique antisymétrique par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor.
6. 6. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, le capteur est positionné à égale distance de deux bobines de puissance adjacentes.
7. 7. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au-20- moins un capteur (6A, 46A, 56A) est associé à une chaîne de commande (100A) commandant au moins une bobine de puissance (4A-4A').
8. 8. Machine électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que, la chaîne de 5 commande (100A) comprend : - un dispositif de mesure (20A) couplé au capteur (6A, 46A, 56A), permettant d'extraire à partir des mesures du capteur, un signal reflétant principalement l'impédance du circuit magnétique formé par le support et les pôles magnétiques (7) du rotor (2) ; 10 - un dispositif de contrôle (30A) couplé au dispositif de mesure, commandant un dispositif d'alimentation (40A) d'au moins au moins une bobine de puissance (4A-4A').
9. 9. Machine électrique selon la revendication la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce 15 que, une chaîne de commande (100A, 100B, 100C) est associée à chaque capteur (6A, 46A, 56A, 6B, 6C) de la machine électrique (1). 20