FR3132804A1 - Moteur electrique a codeur de rotation - Google Patents
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Abstract
Moteur électrique (1) comportant un arbre moteur (5) porteur d’un rotor (2), un dispositif d’alimentation et de pilotage de phases d’enroulements (20) d’un stator dudit moteur sur une carte électronique (3) et un ou plusieurs codeurs angulaires, caractérisé en ce que lesdits codeurs angulaires comportent des capteurs (7) positionnés sur ladite carte électronique en regard d’un aimant multipolaire annulaire (6) positionné sur ledit arbre moteur (5) traversant ladite carte. Figure de l’abrégé : Figure 3
Description
La présente divulgation relève du domaine du pilotage des moteurs électriques notamment des moteurs électriques d’entrainement de roues telles que des roues de dispositifs de manutention robotisés et concerne un moteur électrique pourvu d’un codeur de rotation.
Les moteurs électriques d’entrainement de roues peuvent être des moteurs pilotés par une électronique de contrôle moteur alimentée par une source de courant continu comme une batterie par exemple. A des fins de pilotage précis de la rotation du moteur, il est utile de connaitre la position et la vitesse de rotation du rotor du moteur. Généralement, un codeur de rotation comporte une partie tournante montée sur l’arbre du moteur et un capteur pour renvoyer ces informations au contrôle moteur.
Le capteur du codeur est en général fixé sur le moteur et relié de manière filaire à l’électronique de contrôle moteur disposée dans le moteur.
Notamment pour des dispositifs de manutention robotisés, il est souhaitable de rendre plus compact le moteur et son électronique de contrôle, de fiabiliser le fonctionnement de l’ensemble et de simplifier la réparabilité de cet ensemble. La présente divulgation propose pour ce faire d’intégrer des capteurs d’un codeur de rotation moteur dans ladite électronique, cette dernière étant rapportée sur le moteur.
Ainsi, la présente divulgation propose un moteur électrique comportant un arbre moteur porteur d’un rotor, un dispositif d’alimentation et de pilotage de phases d’enroulements d’un stator dudit moteur sur une carte électronique fixée au moteur et un ou plusieurs codeurs angulaires, pour lequel lesdits codeurs angulaires comportent des capteurs positionnés sur ladite carte électronique et un élément d’encodage angulaire disposé face aux capteurs sur l’arbre moteur, et pour lequel ladite carte électronique, comporte une électronique de puissance de pilotage desdits enroulement et une unité de calcul et de pilotage de la phase desdits enroulements.
Ceci permet de réaliser un bloc compact et aisément implantable tout en permettant un démontage de la carte pour une réparation éventuelle.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
Selon un premier mode de réalisation, la carte électronique est traversée par l’arbre moteur. Selon un mode de réalisation alternatif la carte électronique est en face d’une extrémité de l’arbre.
Avantageusement, la carte électronique, est positionnée dans un flasque amovible et remplaçable, fixé sur une face d’un carter moteur dite face arrière, traversé par ledit arbre moteur, ledit flasque comportant un fond muni d’un trou traversé par ledit arbre moteur et une bordure entourant le périmètre de la carte électronique, lesdits capteurs se retrouvant en regard dudit élément d’encodage angulaire porté par ledit arbre moteur.
L’élément d’encodage angulaire est avantageusement un aimant multipolaire et les capteurs des capteurs de champ magnétique ce qui évite que des poussières ou salissures perturbent les mesures.
Un capot arrière peut être fixé au flasque, le capot arrière et le flasque formant un logement refermant un espace de réception de ladite carte électronique. Ainsi la carte solidarisée au moteur de même que l’arbre moteur sont protégés.
Le flasque peut comporter une paroi cylindrique amagnétique d’axe commun avec l’arbre moteur disposée entre l’aimant multipolaire et le ou les capteurs en sorte de séparer et de rendre étanche le logement de ladite carte électronique.
L’arbre moteur peut se prolonger par un segment traversant une ouverture du capot arrière pour réaliser un support d’au moins un équipement complémentaire.
Ledit équipement complémentaire peut être un frein électromécanique comportant un disque et un ou plusieurs étriers reliés et pilotés par la carte électronique, lesdits étriers étant montés sur le capot arrière du bloc, ledit disque étant monté sur ledit segment traversant.
La présente divulgation concerne en outre une carte électronique pour un moteur électrique tel que décrit précédemment qui comporte un trou de passage dudit arbre moteur et un ou plusieurs capteurs de codeurs angulaires disposé à la périphérie dudit trou.
La carte électronique peut comporter des broches de connexion d’alimentation des enroulements du stator adaptées à se raccorder sur un connecteur regroupant les fils d’alimentation du stator au niveau du flasque. Ainsi la connexion de la carte se fait aisément sur les câbles d’alimentation du moteur.
La carte électronique peut comporter un composant de communication avec un système de gestion d’un dispositif de manutention dont ledit moteur entraîne une ou plusieurs roues.
La carte peut être programmée pour fournir à un calculateur externe des informations de vitesse, de calculs d’incréments de position moteur et de sens de rotation moteur au travers dudit composant de communication.
La présente divulgation concerne aussi un engin roulant comportant au moins un moteur et une carte électronique selon l’une quelconque des revendications tels que décrits précédemment.
La présente divulgation concerne enfin un procédé d’assemblage et de calibration d’un moteur équipé d’une carte tels que décrits qui comprend après assemblage du moteur et assemblage de la carte électronique:
- une fixation de l’élément d’encodage angulaire sur l’axe moteur, une fixation de la carte équipée des capteurs dans sa position mécanique finale sur le moteur, la position angulaire relative de l’aimant par rapport aux capteurs de la carte étant arbitraire et inconnue,
- une mise en rotation forcée du rotor en appliquant un champ magnétique tournant par pilotage du stator du moteur avec l’application d’une tension triphasée définie produisant un champ tournant défini pendant un tour complet,
- une mesure au moyen des capteurs des états du champ magnétique provoqué par l’aimant pendant la rotation forcée de l’axe, et une détermination par l’unité de calcul de l’écart angulaire entre lesdits états du champ magnétique mesurés par les capteurs et la position imposée lors de la rotation du moteur par le champ appliqué au stator ;
les écarts entre lesdits états mesurés et ladite position imposée étant stockées en mémoire permanente dans la carte et constituent les données de calibration pour un ensemble moteur codeur carte.
- une fixation de l’élément d’encodage angulaire sur l’axe moteur, une fixation de la carte équipée des capteurs dans sa position mécanique finale sur le moteur, la position angulaire relative de l’aimant par rapport aux capteurs de la carte étant arbitraire et inconnue,
- une mise en rotation forcée du rotor en appliquant un champ magnétique tournant par pilotage du stator du moteur avec l’application d’une tension triphasée définie produisant un champ tournant défini pendant un tour complet,
- une mesure au moyen des capteurs des états du champ magnétique provoqué par l’aimant pendant la rotation forcée de l’axe, et une détermination par l’unité de calcul de l’écart angulaire entre lesdits états du champ magnétique mesurés par les capteurs et la position imposée lors de la rotation du moteur par le champ appliqué au stator ;
les écarts entre lesdits états mesurés et ladite position imposée étant stockées en mémoire permanente dans la carte et constituent les données de calibration pour un ensemble moteur codeur carte.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Il est maintenant fait référence à la qui représente schématiquement en coupe longitudinale un moteur électrique 1 comportant un rotor 2 sur un arbre moteur 5 et un stator dont les enroulement 20 sont alimentés par un dispositif de commande à interrupteurs électroniques. Un tel moteur de type moteur à courant continu sans balais connu selon l’abréviation moteur BLDC pour brushless direct current motor en anglais est piloté par un convertisseur et assimilé à un moteur courant continu.
Le moteur peut être de manière connue un moteur à trois phases sans balais dont les phases sont alimentées par un système de commutation de puissance avec trois demi-ponts de puissance à MOSFET ou IGBT pilotés indépendamment par un calculateur programmable d’un dispositif d’alimentation et de pilotage de phases d’enroulements du moteur dans une électronique de contrôle moteur.
A des fins de pilotage précis de la rotation du moteur, il est utile de connaitre la position et la vitesse de rotation du rotor du moteur. Généralement, un codeur de rotation est monté sur l’arbre du moteur pour renvoyer ces informations au contrôle moteur. Dans l’exemple de la présente divulgation, notamment aux figures 1, 2 et 5, le codeur est réalisé par une intégration de capteurs 7 magnétiques directement sur une carte électronique de contrôle moteur 3 en face d’un élément de codage angulaire 6, constitué ici par un aimant multipolaire annulaire, par exemple un aimant à douze paires de pôles 6a, 6b tel que représenté en , monté sur l’arbre moteur 5 en regard des capteurs ce qui permet d’obtenir des informations de vitesse et de position angulaire du moteur directement par l’électronique du dispositif de contrôle et de pilotage.
Selon les figures 1 et 2 la carte 3 comporte une ouverture pour être traversée par l’arbre 5, les capteurs étant en périphérie de l’ouverture, et selon la la carte 3’ se trouve en face d’une extrémité de l’arbre, les capteurs 7’ se trouvant sur une face dite inférieure de la carte en face de l’élément d’encodage angulaire 6.
La carte électronique 3 est selon l’exemple montée dans un flasque 4 perpendiculairement à un axe de l’arbre moteur Le flasque est disposé sur une face 21a d’un carter moteur 21 à une extrémité axiale, dite arrière, du moteur et réalise un interface entre l’extrémité arrière du moteur et la carte électronique. Le flasque comporte une paroi de fond 41 fixée sur une paroi arrière 21a du moteur et une bordure 44, le flasque formant un réceptacle dans lequel la carte électronique 3 est solidement fixée et positionnée par rapport à l’arbre moteur.
Les capteurs 7 des codeurs angulaires sont ici des capteurs de champ magnétique comme des capteurs à effet Hall par exemple et sont positionnés sur ladite carte électronique en regard de l’aimant multipolaire annulaire 6 lui-même positionné sur l’arbre moteur 5 traversant ladite carte.
Les capteurs sont de type capteur de champ magnétique et peuvent notamment être des capteurs à effet Hall. Trois capteurs répartis à 120° autour de l’aimant multipolaire sur l’arbre moteur comme représenté en permettent une précision suffisante pour un fonctionnement du moteur comme moyen d’entrainer une roue d’un dispositif de manutention.
Une solution avec codeurs optiques comportant des capteurs optiques et une roue codeuse optique peut aussi être envisagée dans le cadre de la présente divulgation ou une solution à roue codeuse dentée et capteurs magnétiques.
Le dispositif de la présente divulgation a l’avantage de rassembler toutes les fonctions électroniques, pilotage et capteurs du codeur, dans un ensemble mécanique unique formant un bloc de commande moteur. Les éléments de ce bloc de commande peuvent être assemblés séparément du moteur, le bloc de commande moteur devenant un bloc fonctionnel modulaire qui sera directement disposé sur le moteur en fin de chaine de fabrication par exemple. Plusieurs versions de blocs de commande moteur peuvent être proposés pour un même moteur, et le remplacement aisé dudit bloc de commande facilite la maintenance du dispositif.
Selon l’exemple de la , les câbles de phases électriques du moteur sont raccordés via un connecteur 43 monté sur le flasque et recevant des broches de contact 32 venant de la carte électronique pour faciliter le montage et le remplacement du bloc de commande moteur ou de la carte électronique. Ces câbles peuvent être raccordés directement sur la carte électronique 3 comme représenté en .
La représente un mode de réalisation pour lequel un capot arrière 8 est fixé au flasque, ce capot arrière et le flasque formant un logement refermant un espace de réception de ladite carte électronique ce qui la protège des agressions extérieures.
Il peut aussi être prévu une paroi cylindrique amagnétique 9 d’axe commun avec l’arbre moteur 5 disposée entre l’aimant multipolaire et le ou les capteurs, ce qui permet de rendre étanche le logement de ladite carte électronique et d’encore mieux la protéger.
Toujours selon la variante de la , l’arbre moteur peut se prolonger par un segment 5a traversant une ouverture du capot arrière 8 pour réaliser un support d’au moins un équipement complémentaire qui peut être un frein électromécanique comportant un disque 11 et un ou plusieurs étriers 10 reliés et pilotés par la carte électronique.
Dans cet exemple, les étriers sont montés sur le capot arrière 8 du bloc de commande et le disque est monté sur ledit segment traversant 5a.
La représente le montage de la carte électronique 3 dans le flasque 4 à l’arrière du moteur, cette carte étant par exemple fixée sur des entretoises 43 du flasque par des vis 38.
La carte comporte un trou 31 pour laisser passer l’aimant multipolaire 6 et les capteurs 7a, 7b, 7c sont disposés autour dudit aimant à la périphérie du trou.
La carte électronique comporte en outre une électronique de puissance 33 et une unité de calcul 34 telle qu’un un microprocesseur ou un microcontrôleur, associée à une mémoire permanente 35 par exemple de type EEPROM pour pouvoir être mise à jour, comportant le programme de pilotage du moteur et les données de calibration et une mémoire vive 36, pour le pilotage des phases du moteur. La carte comporte éventuellement un composant de communication 37, par exemple un composant de gestion de bus de terrain de type CAN ou Ethernet, ou encore d’une liaison radio telle que Wifi, Bluetooth, Zigbee, voire 5G reliée à l’unité de calcul et à une antenne non représentée ou un composant de liaison filaire de liaison de la carte électronique avec un calculateur contrôleur sur un matériel roulant tel qu’un dispositif de manutention comportant un ou plusieurs moteurs de la présente divulgation pour entrainer des roues dudit matériel pour permettre à la carte électronique de communiquer avec un système de gestion dudit matériel roulant distant ou embarqué.
Selon un aspect important, le dispositif tel que représenté ne comporte pas de réglage mécanique de position angulaire entre l’aimant multipolaire et les enroulements du moteur. Une procédure d’auto-calibration est réalisée une fois la carte électronique assemblée sur le moteur pour connaître la position angulaire du rotor et piloter les phases du stator par rapport au rotor ce qui est important pour maximiser le couple de démarrage du moteur.
La procédure d’auto-calibration est réalisée soit en sortie de chaine de fabrication soit lors de la première mise en service du produit, suite à l’appairage de l’ensemble électronique capteur et du moteur supportant sur son axe le moyen donnant l’information de position, aimant multipolaire, roue codeuse ou autre.
Pour cette procédure :
après assemblage du moteur et assemblage de la carte électronique:
- l’élément d’encodage angulaire 6 est fixé sur l’axe moteur, par exemple par collage, et la carte 3 est disposée dans sa position mécanique finale sur le moteur. Après ces opérations, la position angulaire relative de l’élément d ‘encodage, par exemple un aimant multipolaire, par rapport aux capteurs 7 de la carte est arbitraire et inconnue.
Ensuite le rotor 2 est mis en rotation en appliquant un champ magnétique par pilotage du stator 20 du moteur avec l’application d’une tension triphasée définie produisant un champ tournant défini et la position du moteur est ainsi imposée pendant 1 tour complet ;
Pendant la rotation forcée de l’axe, les capteurs 7 mesurent les états du champ magnétique provoqué par l’aimant, et l’unité de calcul 34 détermine l’écart angulaire entre lesdits états mesurés par les capteurs et la position imposée lors de la rotation du moteur par le champ appliqué au stator ;
Les écarts entre lesdits états mesurés et ladite position imposée sont stockées en mémoire permanente (35) dans la carte et constituent les données de calibration pour un ensemble moteur codeur carte.
La procédure est totalement automatisée et permet de s’affranchir des variations liées à l’assemblage mécanique par la détermination des paramètres permettant la mise en forme ou normalisation du signal reçu par le ou les capteurs.
La procédure permet ensuite la mise en correspondance des informations issues du capteur avec la position du rotor du moteur, permettant l’utilisation des informations de ce capteur pour la génération du champ magnétique tournant utilisé pour le contrôle du moteur.
Selon l’exemple de la , le dispositif codeur comporte trois capteurs logiques 7a, 7b, 7c décalés de 120° face à l’aimant multipolaire annulaire à 12 paires de pôles ce qui donne six états recombinants soit une position relative à 72° pour un pilotage de base du moteur. Le nombre de paires de pôles peut toutefois être supérieur pour plus de précision. Pour obtenir plus de précision, deux capteurs 71a, 71b analogiques disposés à 90° en sinus/cosinus peuvent être ajoutés en face de l’aimant multipolaire ou on peut augmenter le nombre de capteurs logiques. Le positionnement des capteurs directement sur la carte électronique évite d’avoir des câbles de liaison électrique entre ceux-ci et ladite carte et rend le montage plus robuste contre les vibrations notamment.
Pour des applications nécessitant une sécurité de fonctionnement importante il est aussi possible d’utiliser des capteurs additionnels de redondance côte à côte, des capteurs fournissant des mesures redondantes, ou un codeur sécuritaire avec un contrôleur sécuritaire.
Dans un cas où un point zéro de rotation du moteur est souhaitable un capteur, par exemple un capteur magnétique additionnel peut être disposé face à un pion ou une rainure sur l’arbre métallique.
L’invention ne se limite pas aux exemples représentés et notamment la carte électronique peut être subdivisée en modules pour une meilleure réparabilité.
Claims (14)
- Moteur électrique (1) comportant un arbre moteur (5) porteur d’un rotor (2), un dispositif d’alimentation et de pilotage de phases d’enroulements (20) d’un stator dudit moteur sur une carte électronique (3, 3’) fixée au moteur et un ou plusieurs codeurs angulaires, caractérisé en ce que lesdits codeurs angulaires comportent des capteurs (7, 7’) positionnés sur ladite carte électronique et un élément d’encodage angulaire (6) disposé face aux capteurs sur l’arbre moteur, et en ce que ladite carte électronique, comporte une électronique de puissance (33) de pilotage desdits enroulement et une unité (34) de calcul et de pilotage de la phase desdits enroulements.
- Moteur électrique selon la revendication 1 pour lequel la carte électronique (3) est traversée par l’arbre moteur.
- Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2 pour lequel la carte électronique, est positionnée dans un flasque (4) amovible et remplaçable, fixé sur une face (21a) d’un carter moteur (21) dite face arrière, traversé par ledit arbre moteur (5), ledit flasque comportant un fond (41) muni d’un trou traversé par ledit arbre moteur (5) et une bordure (42) entourant le périmètre de la carte électronique, lesdits capteurs se retrouvant en regard dudit élément d’encodage angulaire (6) porté par ledit arbre moteur (5).
- Moteur électrique selon la revendication 1 , 2 ou 3 pour lequel l’élément d’encodage angulaire(6) est un aimant multipolaire et les capteurs (7, 7’) des capteurs de champ magnétique.
- Moteur électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes comportant un capot arrière (8) fixé au flasque, le capot arrière et le flasque formant un logement (4, 8) refermant un espace de réception de ladite carte électronique.
- Moteur électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel le flasque comporte une paroi cylindrique amagnétique (9) d’axe commun avec l’arbre moteur (5) disposée entre l’aimant multipolaire et le ou les capteurs en sorte de séparer et de rendre étanche le logement de ladite carte électronique.
- Moteur électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel l’arbre moteur (5) se prolonge par un segment (5a) traversant une ouverture du capot arrière (8) pour réaliser un support d’au moins un équipement complémentaire.
- Moteur électrique selon la revendication 7 pour lequel ledit équipement complémentaire est un frein électromécanique (10, 11) comportant un disque (11) et un ou plusieurs étriers (10) reliés (12) et pilotés par la carte électronique, lesdits étriers étant montés sur le capot arrière (8) du bloc, ledit disque étant monté sur ledit segment traversant (5a).
- Carte électronique pour un moteur électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’elle comporte un trou de passage dudit arbre moteur et un ou plusieurs capteurs de codeurs angulaires disposé à la périphérie dudit trou.
- Carte électronique selon la revendication 9 comportant des broches (32) de connexion d’alimentation des enroulements du stator adaptées à se raccorder sur un connecteur (43) regroupant les fils d’alimentation du stator au niveau du flasque.
- Carte électronique selon la revendication 9 ou 10 comportant un composant de communication (37) avec un système de gestion d’un dispositif de manutention dont ledit moteur entraîne une ou plusieurs roues.
- Carte électronique selon la revendication 11 pour laquelle la carte est programmée pour fournir à un calculateur externe des informations de vitesse, de calculs d’incréments de position moteur et de sens de rotation moteur au travers dudit composant de communication.
- Engin roulant comportant au moins un moteur électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et une carte électronique selon l’une quelconque des revendications 9 à 12.
- Procédé d’assemblage et de calibrage d’un moteur électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 équipé d’une carte selon l’une quelconque des revendications 9 à 12 caractérisé en ce qu’il comprend après assemblage du moteur et assemblage de la carte électronique:
- - une fixation de l’élément d’encodage angulaire (6) sur l’axe moteur (5), une fixation de la carte (3) équipée des capteurs (7) dans sa position mécanique finale sur le moteur, la position angulaire relative de l’aimant (6) par rapport aux capteurs (7) de la carte étant arbitraire et inconnue,
- une mise en rotation forcée du rotor (2) en appliquant un champ magnétique tournant par pilotage du stator (20) du moteur avec l’application d’une tension triphasée définie produisant un champ tournant défini pendant un tour complet,
- une mesure au moyen des capteurs (7) des états du champ magnétique provoqué par l’aimant pendant la rotation forcée de l’axe, et une détermination par l’unité de calcul (34) de l’écart angulaire entre lesdits états du champ magnétique mesurés par les capteurs et la position imposée lors de la rotation du moteur par le champ appliqué au stator ;
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- 2022-02-14 FR FR2201283A patent/FR3132804A1/fr active Pending
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- 2023-02-13 WO PCT/FR2023/050191 patent/WO2023152457A1/fr unknown
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| WO2023152457A1 (fr) | 2023-08-17 |
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