WO2001028082A1 - Ensemble moteur electrique sans collecteur, dispositif d'alimentation dudit moteur et aspirateur electrique equipe dudit ensemble - Google Patents

Ensemble moteur electrique sans collecteur, dispositif d'alimentation dudit moteur et aspirateur electrique equipe dudit ensemble Download PDF

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WO2001028082A1
WO2001028082A1 PCT/FR2000/002618 FR0002618W WO0128082A1 WO 2001028082 A1 WO2001028082 A1 WO 2001028082A1 FR 0002618 W FR0002618 W FR 0002618W WO 0128082 A1 WO0128082 A1 WO 0128082A1
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motor
windings
winding
assembly according
terminal
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PCT/FR2000/002618
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English (en)
Inventor
José Herrada
Paul Dancer
Original Assignee
Seb S.A.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08—Reluctance motors
    • H02P25/092—Converters specially adapted for controlling reluctance motors
    • H02P25/0925—Converters specially adapted for controlling reluctance motors wherein the converter comprises only one switch per phase

Definitions

  • the invention relates to a supply circuit and an electronically commutated motor such as in particular a motor without a collector of the "brushless" or variable reluctance type. It relates more precisely to the architecture of a supply circuit, adapted to an engine configuration which proves to be particularly advantageous in terms of number of components used, and therefore of reliability and cost price, in particular for applications of home appliance field.
  • Motors without collector used in the household appliance sector are generally supplied with energy by a supply circuit, comprising on the one hand a rectifier assembly intended to generate a DC voltage from the AC mains voltage, and d on the other hand, a voltage inverter structure, capable of generating a variable voltage across the terminals of the phase or phases of the motor.
  • the inverter can be connected directly to a DC voltage source, such as a battery.
  • H-bridge One of the most widespread inverter structures is commonly called “H-bridge” and comprises two arms each comprising two static switches controlled by appropriate means.
  • the motor phase is connected to the midpoints of each arm.
  • Such specifically insulated control circuits have a cost much higher than that of control circuits referenced to mass, which generates an additional cost making the product equipped with the engine not very economically competitive.
  • a problem which the invention proposes to solve is that of reducing the number of components involved in a motor supply circuit without a manifold.
  • the winding opposite to that in which the current goes out has a terminal which is at a potential equal to twice the voltage measured across the winding during extinction.
  • this voltage corresponds to the direct supply voltage increased by an overvoltage corresponding to the transfer of the magnetic energy stored in the winding.
  • the voltage can become very high and the risks of electrical breakdown are high, and all the more increased as the different windings are intimately wound.
  • the breakdown voltage problem between the wires is much more important in the case of operation from a rectified voltage from an alternating network of nominal voltage 230 volts. Indeed, in this case, the mounting of the above-mentioned document leads to maximum voltages between winding turns which require drastic precautions in terms of insulation between wires.
  • One of the problems that the invention proposes to solve is that of the influence of the overvoltages generated in diagrams in which the stator winding has two magnetically coupled windings which are electrically connected to each other by opposite ends.
  • the invention therefore aims to provide an electrical diagram and a motor whose number of components is limited to the minimum, capable of withstanding the overvoltages generated in this type of diagram, despite a supply from the AC mains network.
  • the invention therefore consists of an electric motor assembly without a collector and its supply device in which:
  • the motor has a number of pairs of poles n greater than or equal to two, and comprises two windings each consisting of a plurality of windings in series each corresponding to one pole of the motor, the two windings being wound together so that the windings of each winding are magnetically coupled pole by pole, one of the terminals ei of one of the windings Bi being electrically connected with the terminal s 2 of the other winding B 2 corresponding to the opposite end of the winding, to form a common point,
  • the engine supply device comprises:
  • a rectified voltage source having a so-called positive terminal and a so-called negative terminal,.
  • two unidirectional static switches a first terminal of which is connected to the negative terminal of the voltage source, and the second terminal of which is connected to one of the terminals of one of the motor windings, different from the common point of the two windings.
  • the invention consists in using a double-winding motor having a number of pole pairs greater than two, in order to ensure that the windings of each pole which are contiguous have a potential difference equal to or more than: VE + -
  • V E is the maximum voltage observed across a winding
  • n is the number of pairs of poles.
  • the invention consists in increasing the number of pairs of poles to allow the use of a two-transistor diagram from a mains voltage supply, which is particularly advantageous on the cost price of the appliance fitted with the motor.
  • the speed of rotation of the motor can advantageously be greater than 25,000 revolutions per minute.
  • the motor comprises a stator without an iron pole piece, so as to eliminate the sources of iron losses.
  • the motor is determined to operate in natural switching.
  • the control means which are associated with static switches are capable of modulating the opening time of these switches over the speed range of the motor.
  • the induced voltage of the motor being low, the rapid rise in current is compensated for by a shorter conduction time.
  • control means are capable of modulating the maximum admissible intensity for the current flowing in the motor over the speed range of the motor.
  • the current limit which intervenes in the regulation of the control means takes account of the fact that for low speeds, the induced voltage of the motor does not participate in the dissipation of energy.
  • control means are arranged to limit the intensity of the current more strongly at low speed.
  • control means are associated with a current sensor capable of measuring the current flowing in the motor.
  • the supply circuit includes a dissipative circuit capable of dissipating part of the magnetic energy stored in the windings when the static switches open.
  • the dissipative circuit is connected, on the one hand to the so-called positive terminal of the voltage source, and on the other hand, to the second terminals of the static switches by means of recovery diodes.
  • the dissipation circuit is partly common for the two windings of the motor, with the exception of the recovery diode which is specific to each winding. Satisfactory results have been obtained using a parallel RC circuit as the dissipation circuit.
  • the dissipation circuit can consist of a Zener diode arranged in anti-parallel mode with the static switch.
  • the supply circuit included in a recovery circuit capable of storing part of the magnetic energy stored in the windings, when the static switches open.
  • this recovery circuit can consist of a resistor and a capacitor in series, arranged in parallel with each static switch or between the collectors of the transistors.
  • FIG. 1 is a general electrical diagram showing the power circuit and the motor.
  • FIG. 2 is a schematic representation of the stator of the motor equipped with three pairs of poles.
  • - Figure 3 is a representation of the two coupled windings of the motor of Figure 2.
  • FIG. 4 is a time diagram illustrating the theoretical variation of the current flowing through the motor windings.
  • FIG. 5a is a time diagram illustrating the theoretical variation of the difference of the currents in the windings, reflecting the magnetic flux.
  • FIG. 5b and 6 are oscilloscope screen readings respectively illustrating the variation of the flux in the motor and the variation of the input voltage across the terminals of the inverter.
  • - Figure 7 is an oscilloscope screen reading illustrating the variation of the voltage measured at the positive terminal of the recovery circuit
  • FIG. 8 is a diagram showing the current limit as a function of the motor speed.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the variation of the stator frequency as a function of the motor speed.
  • FIGS 10, 11 and 12 are three electrical diagrams illustrating alternative embodiments of the inverter equipped with specific recovery circuits.
  • the invention relates to a "brushless" electric motor or even equivalently a variable reluctance motor.
  • a motor is intended to be supplied from the AC supply network 1 by means of the circuit according to the invention.
  • Such a circuit comprises a rectifier bridge 2 and a capacitive filter, consisting of a capacitor 3, capable of transforming the alternating voltage into a positive voltage.
  • an alternative embodiment uses a capacitor 3 of low value, which has the effect of only slightly rectifying the input voltage.
  • the invention also covers variants not described in which the energy source is a DC voltage source, for example consisting of a battery.
  • the motor is powered by two static switches T ⁇ , T 2 , typically bipolar transistors, field effect transistors or IGBTs. These switches are controlled via an appropriate control circuit 12.
  • each transistor T ⁇ , T 2 has its emitter 7, 8 connected to the negative terminal 9 of the filtering capacitor, possibly with the interposition of a current sensor 20.
  • the motor comprises two windings each having two terminals.
  • each transistor has its collector 10, 11 connected to one of the terminals si, e 2 of the windings Bi, B 2 of the motor.
  • the other terminal ⁇ , s 2 of the same winding B ⁇ B 2 of the motor is itself connected to the positive terminal 13 of the capacitive filter C.
  • each transistor Ti, T is also connected to the anode of a diode 15, 16 whose cathode is connected to a dissipative recovery circuit 17, itself connected to the positive terminal 13 of the capacitive filter C.
  • diodes Du and D 22 are connected between the emitters and the collectors of the transistors Ti and T 2 respectively .
  • the winding Bi is subjected to the voltage of the capacitive filter C.
  • the current flowing in the winding Bi which does not turn off immediately due to the dispersion inductance due to imperfect coupling of the windings, travels through the diode 15 and the recovery circuit 17. Due to the coupling of the coils, a current is established on the winding B 2 passing through the diode D 2 2 and the capacitor 3.
  • the motor has a number n of pole pairs greater than or equal to two, and preferably equal to three.
  • the stator of the motor comprises two windings Bi, B 2 connected together, that is to say with associated wires and therefore contiguous to obtain a magnetic coupling as optimal as possible.
  • the windings B ⁇ B 2 each have an input terminal ei, e 2 , and an output terminal Si . , s 2 .
  • two of the terminals ⁇ , s 2 , opposite of the two windings are electrically connected, as can be seen in FIG. 1.
  • the input terminal ⁇ of the coil Bi is connected to the positive terminal 13 of the capacitive filter C while the output terminal s of the winding B 2 is also connected to the same positive terminal of the capacitive filter.
  • the output terminal Si of the winding Bi is connected to the collector 10 of the transistor Ti, while the input terminal e 2 of the winding B 2 is connected to the collector 11 of the transistor T 2 .
  • the magnetic coupling corresponds to the indication marked by a point on the two windings.
  • each winding Bi, B 2 is made up of several windings FF 6 ; GG 6 .
  • each Bi winding has a winding FF 6 magnetically strongly coupled with the winding GrG 6 corresponding to the opposite winding B 2 .
  • FIG. 3 This situation is illustrated in FIG. 3, in which the electrical connection between the terminals ei and s 2 of the two windings is shown.
  • the potential values given below, and noted in FIG. 3, correspond substantially to the maximum voltages observed on a circuit supplied from the 230 volt network. These potentials have been rounded to the nearest hundred volts for a quick understanding of the principle of the invention, without limiting its scope.
  • V max is of the order of 700 V.
  • the maximum potential difference between the two coils wound together is not greater than the maximum voltage supported by the winding Bi, identified below V E, to which is added the potential difference maximum between two wires of the same winding at level v p of the same pole, either - ⁇ or n is the number of pairs of poles.
  • the voltage across the capacitive filter can reach around 350 volts, which can lead to voltages during switching operations. about 500 volts.
  • the potentials shown in Figure 3 take into account a safety margin of about 20%, and the maximum tension between the wires of the same winding remains less than 700 volts.
  • the maximum voltage to which the collector of one of the transistors can be brought is less than 1200 volts. It is this maximum voltage value which is used to determine the range of the transistor required.
  • FIG. 4 illustrates the theoretical values of the currents and l 2 on the windings as a function of time, for a certain operating point of the motor, at a given speed.
  • FIG. 5a represents, still at a theoretical level, the composition of the currents (-l 2 ) which produce the magnetic flux in the motor.
  • FIG. 5b is an oscillogram actually representing an operating point of the engine, other than that of the simulation in FIG. 5a. We observe the similarity of these two curves, with in addition a frequency beat due to the frequency of the network, phenomenon induced by the low value of the input capacitor 3, in order to respect EMC standards.
  • FIG. 6 represents the voltage measured on the capacitive filter.
  • such a recovery circuit can be a parallel RC circuit in which the resistance and the capacitance are determined so that the resistance R d is able to dissipate the energy corresponding to the magnetic energy stored in the uncoupled part of the winding at the time of switching, while the capacitance C d is capable of storing said magnetic energy without the voltage across its terminals rising above a value detrimental to the electronic components.
  • the current flowing through the dissipation circuit is illustrated in Figure 7. As already said, during the transient phases, and in particular during speed increases, the induced voltage of the motor is relatively low, which leads to a rapid rise of the current in the windings B- ,, B 2 .
  • the switching takes place quickly, and the voltage of the recovery circuit and the losses it dissipates become significant. This is why, during the transient phases, in particular the increases in speed, the commands of the transistors are regulated so as to modulate, more precisely to increase the time of non-conduction and the intensity of the current.
  • FIG. 8 illustrates the production of this overall frequency as a function of the speed of the motor.
  • the switching frequency is of the order of 2 kHz, whereas it is 2 to 3 times greater when the engine is running at its nominal speed.
  • a limit value of the current is determined at which the transistor must be blocked.
  • this current limit is lower for low speeds, compared to the nominal speed. Indeed, at low speed, the induced voltage of the motor does not participate in the dissipation of energy.
  • the value of the input voltage will therefore tend to increase, as will the voltage of the recovery circuit.
  • the maximum current value is 20 A at rated speed, and this limit is raised to 10A at low speed, as illustrated in Figure 9.
  • the two static switches have a Zener diode Dz-i, Dz 2 in anti-parallel mode, active during the switching operations.
  • the transistor Ti turns off, the current in the winding Bi passes through the Zener Dzi diode. Thanks to the coupling of the windings Bi and B 2 , an opposite current arises in B 2 , and flows through the Zener diode Dz 2 , the transistor T 2 being switched off.
  • the Zener diodes can be the subject of specific components taken in anti-parallel to the transistors, or even be integrated inside the components constituting the switches (for example MOS components).
  • the supply circuit turns out to be particularly advantageous because of the extremely reduced number of components that it includes.
  • the inverter comprises on each arm a recovery circuit intended to store part of the magnetic energy stored in the windings Bi, B 2 at the time of switching.
  • such a recovery circuit mounted in parallel with the static switch, includes a resistor Zn, and a capacitor Ci connected in series, the whole being in parallel with the transistor Ti.
  • An anti-parallel diode Du of the transistor is also provided.
  • Resistance may consist of a single resistor, or alternatively of two resistors placed in series, one of which includes a diode in parallel, so that the resistor has two different values depending on the direction of the current.
  • the time constant of the circuit can thus adopt two values depending on the operating phase.
  • the electric motor and its power supply circuit in accordance with the invention can be used in multiple applications, and in particular in driving turbines or fans.
  • the invention proposes a perfectly adapted and economical solution.

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Abstract

Ensemble moteur électrique sans collecteur et dispositif d'alimentation dudit moteur, dans lequel le moteur présente un nombre de paires de pôles, comporte deux enroulements constitués chacun d'une pluralité de bobinages en série correspondant chacun à un pôle du moteur, les deux enroulements étant bobinés conjointement de sorte que les bobinages de chaque enroulement sont magnétiquement couplés pôle par pôle, une des bornes (e1) d'un des enroulements étant électriquement relié avec la borne (s2) de l'autre enroulement correspondant à l'extrémité opposée de l'enroulement, pour former un point commun, une source de tension redressée, deux interrupteurs statiques unidirectionnels (T1, T2) dont une première borne (7, 8) est reliée à la borne négative (9) de la source de tension, et dont la seconde borne (10, 11) est reliée à une des bornes (s1, e2) d'un des encadrements du moteur, differente du point commun (e1, s2) des deux enroulements, un circuit dissipatif (17) destiné à dissiper l'énergie magnétique des enroulements lorsque les interrupteurs statiques (T1, T2) sont ouverts, est relié, d'une part, à la borne positive du filtre capacitif (13), et d'autre part, aux secondes bornes (s1, e2) des interrupteurs statiques (T1, T2) au moyen de diodes (D1, D2).

Description

ENSEMBLE MOTEUR ELECTRIQUE SANS COLLECTEUR, DISPOSITIF D'ALIMENTAπON DUDIT MOTEUR ET ASPIRATEUR ELECTRIQUE EQUIPE DUDIT ENSEMBLE
Domaine technique L'invention concerne un circuit d'alimentation et un moteur à commutation électronique tel que notamment un moteur sans collecteur du type "brushless" ou à réluctance variable. Elle vise plus précisément l'architecture d'un circuit d'alimentation, adaptée à une configuration de moteur qui s'avère particulièrement avantageuse en termes de nombre de composants utilisés, et donc de fiabilité et de prix de revient, notamment pour des applications du domaine de l'électroménager.
Techniques antérieures
Les moteurs sans collecteur utilisés dans le domaine de l'électroménager sont généralement alimentés en énergie par un circuit d'alimentation, comportant d'une part, un montage redresseur destiné à générer une tension continue à partir de la tension alternative du secteur, et d'autre part, une structure d'onduleur de tension, apte à générer une tension variable aux bornes de la ou des phases du moteur. Dans certains cas, l'onduleur peut être connecté directement sur une source de tension continue, telle qu'une batterie.
Une des structures d'onduleur la plus répandue est communément appelée "pont en H" et comprend deux bras comportant chacun deux interrupteurs statiques commandés par des moyens appropriés. La phase du moteur est reliée aux points milieux de chaque bras.
Une telle structure, si elle s'avère avantageuse par ses capacités à imposer un courant positif ou négatif dans le moteur, présente en revanche l'inconvénient majeur d'utiliser quatre interrupteurs statiques dont le coût influe fortement dans le prix de revient du circuit d'alimentation et donc de l'appareil dans lequel est installé le moteur.
En outre, dans un schéma dit de "pont en H", deux des interrupteurs statiques sont connectés au point de tension le plus haut du circuit, ce qui nécessite d'utiliser des moyens de commande appropriés, aptes à supporter la tension maximum du schéma.
De tels circuits de commande spécifiquement isolés présentent un coût nettement supérieur à celui de circuits de commande référencés à la masse, ce qui engendre un coût supplémentaire rendant le produit équipé du moteur peu compétitif économiquement.
Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui de la réduction du nombre de composants intervenant dans un circuit d'alimentation de moteur sans collecteur.
Un autre problème concerne la nécessité d'utiliser des circuits de commande des interrupteurs statiques qui présentent une isolation galvanique vis à vis des bornes de cet interrupteur.
On a proposé dans le document FR 2 478 896 d'alimenter un moteur "brushless" à partir d'un circuit de tension continue, au moyen de deux interrupteurs statiques.
Cependant, pour obtenir un flux alternatif, il est nécessaire d'utiliser un moteur comportant deux enroulements statoriques.
Dans un tel schéma de bobinage, il est souhaitable que le couplage magnétique soit le plus fort possible pour éviter qu'au moment des commutations, la surtension due à la variation du flux de dispersion apparaissant aux bornes de l'enroulement atteigne une valeur telle que les interrupteurs statiques soient dégradés ou détériorés. Ainsi, on adopte généralement une technique de bobinage dans laquelle les fils des deux enroulements sont bobinés simultanément et conjointement pour assurer un couplage aussi intime et parfait que possible, de manière à limiter au maximum la partie du flux qui traverse un enroulement sans traverser l'autre enroulement.
De plus, l'extrémité de l'un de ces enroulements est électriquement reliée à l'extrémité opposée de l'autre enroulement.
Ce schéma, s'il présente l'avantage de réduire le nombre d'interrupteurs statiques, présente en revanche l'inconvénient majeur d'augmenter le risque de claquage électrique entre les deux fils bobinés conjointement.
En effet, lors d'un phénomène de commutation, l'enroulement opposé à celui dans lequel le courant s'éteint présente une borne qui se trouve à un potentiel égal à deux fois la tension mesurée aux bornes de l'enroulement en cours d'extinction. Or, cette tension correspond à la tension continue d'alimentation augmentée d'une surtension correspondant au transfert de l'énergie magnétique stockée dans l'enroulement.
Ainsi, entre différents points de l'enroulement, la tension peut devenir très importante et les risques de claquage électrique sont importants, et d'autant plus augmentés que les différents enroulements sont intimement bobinés.
Le document FR 2 478 896 précité décrit un moteur fonctionnant à partir d'un circuit d'alimentation continue en basse tension de 60 volts maximum.
Le problème de tension de claquage entre les fils est nettement plus important dans le cas d'un fonctionnement à partir d'une tension redressée depuis un réseau alternatif de tension nominale 230 volts. En effet, dans ce cas, le montage du document précité conduit à des tensions maximales entres spires d'enroulement qui nécessitent des précautions draconiennes en termes d'isolation entre fils. Un des problèmes que se propose de résoudre l'invention est celui de l'influence des surtensions générées dans des schémas dans lesquels le bobinage statorique présente deux enroulements magnétiquement couplés et connectés électriquement l'un à l'autre par des extrémités opposées.
L'invention vise donc à fournir un schéma électrique et un moteur dont le nombre de composant est limité au minimum, apte à supporter les surtensions générées dans ce genre de schéma, malgré une alimentation à partir du réseau alternatif du secteur.
Exposé de l'invention
L'invention consiste donc dans un ensemble moteur électrique sans collecteur et son dispositif d'alimentation dans lequel :
- le moteur présente un nombre de paires de pôles n supérieur ou égal à deux, et comporte deux enroulements constitués chacun d'une pluralité de bobinages en série correspondant chacun à un pôle du moteur, les deux enroulements étant bobinés conjointement de sorte que les bobinages de chaque enroulement sont magnétiquement couplés pôle par pôle, une des bornes ei d'un des enroulements Bi étant électriquement reliée avec la borne s2 de l'autre enroulement B2 correspondant à l'extrémité opposée du bobinage, pour former un point commun,
- le dispositif d'alimentation du moteur comporte :
. une source de tension redressée, présentant une borne dite positive et une borne dite négative, . deux interrupteurs statiques unidirectionnels dont une première borne est reliée à la borne négative de la source de tension, et dont la seconde borne est reliée à une des bornes d'un des enroulements du moteur, différente du point commun des deux enroulements.
Autrement dit, l'invention consiste à utiliser un moteur à double enroulement présentant un nombre de paires de pôles supérieur à deux, pour faire en sorte que les bobinages de chaque pôle qui sont jointifs présentent une différence de potentiel égale ou plus à : VE + —
2n où VE est la tension maximale observée aux bornes d'un enroulement, et n est le nombre de paires de pôles.
En d'autres termes, l'utilisation d'un moteur et d'une pluralité de paires de pôles permet de réduire la valeur de tension de claquage à laquelle doit résister l'isolant présent sur les fils bobinés conjointement.
De façon générale, on sait que l'augmentation du nombre de paires de pôles dans un moteur tournant à une vitesse importante, se traduit par la multiplication de la fréquence du courant statorique et donc la multiplication par le même facteur au carré des pertes fer à l'intérieur du moteur.
La tendance générale est donc la réduction du nombre de paires de pôles pour une augmentation du rendement du moteur. Néanmoins, à l'inverse, l'invention consiste à augmenter le nombre de paires de pôles pour permettre l'utilisation d'un schéma à deux transistors à partir d'une alimentation de tension réseau, ce qui s'avère particulièrement avantageux sur le prix de revient de l'appareil équipé du moteur.
En pratique, la vitesse de rotation du moteur peut avantageusement être supérieure à 25000 tours par minute.
Pour augmenter le rendement d'un tel moteur, dans une forme préférée, le moteur comporte un stator sans pièce polaire en fer, de manière à éliminer les sources de pertes fer.
Pour limiter les pertes par dissipation de l'énergie de commutation, le moteur est déterminé pour fonctionner en commutation naturelle. Cependant, pour faciliter les phases transitoires, telles que les montées en vitesse, dans une forme avantageuse, les moyens de commande qui sont associés aux interrupteurs statiques sont aptes à moduler le temps d'ouverture de ces interrupteurs sur la plage de vitesse du moteur. Ainsi, à faible vitesse la tension induite du moteur étant faible, on compense la rapide montée du courant par un temps de conduction plus faible.
Les pertes supplémentaires occasionnées par ce fonctionnement n'étant que transitoires, elles n'ont pas de conséquence sur le dimensionnement général du circuit d'alimentation et du moteur.
Selon une autre caractéristique avantageuse, les moyens de commande sont aptes à moduler l'intensité maximale admissible pour le courant circulant dans le moteur sur la plage de vitesse du moteur.
En effet, la limite de courant qui intervient dans la régulation des moyens de commande tient compte du fait que pour les vitesses basses, la tension induite du moteur ne participe pas à la dissipation de l'énergie.
En d'autres termes, les moyens de commande sont agencés pour limiter l'intensité du courant plus fortement à basse vitesse.
En pratique les moyens de commande sont associés à un capteur de courant apte à mesurer le courant circulant dans le moteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit d'alimentation comporte un circuit dissipatif apte à dissiper une partie de l'énergie magnétique emmagasinée dans les enroulements lorsque les interrupteurs statiques s'ouvrent.
Dans une forme particulière de réalisation, le circuit dissipatif est relié, d'une part à la borne dite positive de la source de tension, et d'autre part, aux secondes bornes des interrupteurs statiques au moyen de diodes de récupération.
Dans une forme particulière, le circuit de dissipation est en partie commun pour les deux enroulements du moteur, à l'exception de la diode de récupération qui est propre à chaque enroulement. On a obtenu des résultats satisfaisants en utilisant un circuit RC parallèle en tant que circuit de dissipation.
Dans une autre forme de réalisation, le circuit de dissipation peut être constitué d'une diode Zener disposée en anti-parallèle de l'interrupteur statique.
Dans une autre forme de réalisation, le circuit d'alimentation, inclut dans un circuit de récupération apte à stocker une partie de l'énergie magnétique emmagasinée dans les enroulements, lorsque les interrupteurs statiques s'ouvrent.
En pratique, ce circuit de récupération peut être constitué d'une résistance et d'une capacité en série, disposé en parallèle avec chaque interrupteur statique ou entre les collecteurs des transistors.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées, dans lesquelles :
- La figure 1 est un schéma électrique général représentant le circuit d'alimentation et le moteur.
- La figure 2 est une représentation schématique du stator du moteur équipé de trois paires de pôles. - La figure 3 est une représentation des deux bobinages couplés du moteur de la figure 2.
- La figure 4 est un diagramme temporel illustrant la variation théorique du courant parcourant les bobinages moteurs.
- La figure 5a est un diagramme temporel illustrant la variation théorique de la différence des courants dans les bobinages, reflet du flux magnétique.
- Les figures 5b et 6 sont des relevés d'écran d'oscilloscope illustrant respectivement la variation du flux dans le moteur et la variation de la tension d'entrée aux bornes de l'onduleur. - La figure 7 est un relevé d'écran d'oscilloscope illustrant la variation de la tension mesurée à la borne positive du circuit de récupération
- La figure 8 est un diagramme montrant la limite de courant en fonction de la vitesse du moteur.
- La figure 9 est un diagramme illustrant la variation de la fréquence statorique en fonction de la vitesse du moteur.
- Les figures 10, 11 et 12 sont trois schémas électriques illustrant des variantes de réalisation de l'onduleur équipé de circuits de récupération particuliers.
Manière de réaliser l'invention
Comme déjà dit, l'invention concerne un moteur électrique "brushless" ou bien encore de façon équivalente un moteur à réluctance variable. Un tel moteur est destiné à être alimenté à partir du réseau d'alimentation alternative 1 au moyen du circuit conforme à l'invention.
Ainsi, un tel circuit comprend un pont redresseur 2 et un filtre capacitif, constitué d'un condensateur 3, apte à transformer la tension alternative en une tension positive.
Afin de respecter les normes CEM, une variante de réalisation utilise un condensateur 3 de faible valeur, ce qui a pour effet de ne redresser que faiblement la tension d'entrée.
L'invention couvre également les variantes non décrites dans lesquelles la source d'énergie est une source de tension continue, par exemple constituée d'une batterie.
On utilisera par la suite les termes de borne positive et borne négative, ces deux notions signifiant plus largement qu'une borne est à un potentiel supérieur à l'autre, la borne négative n'induisant pas systématiquement une valeur de tension négative. Comme on le voit à la figure 1 , l'alimentation du moteur est réalisée grâce à deux interrupteurs statiques Tι,T2, typiquement des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ ou des IGBT. Ces interrupteurs sont commandés par l'intermédiaire d'un circuit de commande 12 approprié.
Dans l'exemple illustré, chaque transistor Tι,T2 présente son émetteur 7, 8 relié à la borne négative 9 du condensateur de filtrage éventuellement avec interposition d'un capteur de courant 20. Comme il sera développé plus loin, le moteur comprend deux enroulements présentant chacun deux bornes.
Ainsi, chaque transistor présente son collecteur 10, 11 relié à une des bornes s-i, e2 des enroulements B-i, B2 du moteur.
L'autre borne βι, s2 du même enroulement B^ B2 du moteur est quant à elle, connectée à la borne positive 13 du filtre capacitif C.
Par ailleurs, le collecteur 10, 1 1 de chaque transistor Ti, T est également connecté à l'anode d'une diode 15, 16 dont la cathode est reliée à un circuit dissipatif de récupération 17, lui-même relié à la borne positive 13 du filtre capacitif C.
Par ailleurs, deux diodes Du et D22 sont connectées entre les émetteurs et les collecteurs respectivement des transistors Ti et T2.
Ainsi, lorsque le transistor Ti est commandé, le bobinage Bi est soumis à la tension du filtre capacitif C. Lorsque le transistor T-i est bloqué, le courant circulant dans l'enroulement B-i, qui ne s'éteint pas immédiatement du fait de l'inductance de dispersion due au couplage imparfait des enroulements, parcourt la diode 15 et le circuit de récupération 17. Dû au couplage des bobines, un courant s'établit sur le bobinage B2 parcourant la diode D22 et le condensateur 3.
Comme déjà dit, selon une caractéristique de l'invention, le moteur comporte un nombre n de paires de pôles supérieur ou égal à deux, et préférentiellement égal à trois. Le stator du moteur comprend deux enroulements Bi, B2 reliés conjointement, c'est-à-dire avec des fils associés et donc jointifs pour obtenir un couplage magnétique aussi optimal que possible.
En effet, on considère que le couplage des deux enroulements enroulés conjointement est sensiblement dix fois supérieur à celui de deux bobinages qui seraient distincts et superposés.
Ainsi, comme illustré à la figure 2, les enroulements B^ B2 possèdent chacun une borne d'entrée e-i, e2, et une borne de sortie Si., s2. Conformément à l'invention, deux des bornes βι, s2, opposées des deux enroulements sont électriquement reliées, comme on le voit à la figure 1. En effet, la borne βι d'entrée du bobinage B-i est reliée à la borne positive 13 du filtre capacitif C tandis que la borne de sortie s du bobinage B2 est également reliée à la même borne positive du filtre capacitif.
A l'opposé, la borne de sortie Si de l'enroulement B-i est relié au collecteur 10 du transistor Ti, tandis que la borne d'entrée e2 de l'enroulement B2 est reliée au collecteur 11 du transistor T2.
Grâce à la structure parallèle des deux enroulements B-,, et B2, et avec une convention de courant selon laquelle h et l2 sont positifs, le couplage magnétique correspond à l'indication marquée par un point sur les deux enroulements.
Le moteur comprenant une pluralité de paires de pôles, chaque enroulement Bi, B2 est constitué de plusieurs bobinages F F6 ; G G6. Au niveau de chaque pôle P Pβ, chaque enroulement Bi. présente un bobinage F F6 magnétiquement fortement couplé avec le bobinage GrG6 correspondant de l'enroulement opposé B2.
Cette situation est illustrée à la figure 3, dans laquelle la connexion électrique entre les bornes ei et s2 des deux enroulements est représentée. Les valeurs de potentiels données ci-après, et notées sur la figure 3, correspondent sensiblement aux tensions maximales observées sur un circuit alimenté à partir du réseau 230 volts. Ces potentiels ont été arrondis à la centaine de volts supérieure pour une rapide compréhension du principe de l'invention, sans en limiter la portée.
Lorsque l'enroulement Bi est soumis à une tension de 600 volts lors d'une phase de commutation, les fils de liaison entre chaque bobinage et chaque enroulement sont portés à un potentiel intermédiaire tel que représenté à la figure 3.
Grâce à la liaison électrique entre les bornes ei et s2 des deux enroulements Bi, B2, et grâce au couplage entre les différents bobinages F F6 ; G G6, de chaque pôle, les différents bobinages de l'enroulement B2, et plus précisément les zones de jonction entre ces différents bobinages sont portées aux potentiels illustrés à la figure 3. Les flèches diagonales illustrent la tension maximale Vmax entre deux fils bobinés autour du même pôle. Dans le cas présent, Vmax est de l'ordre de 700 V.
Au niveau d'un pôle, la différence de potentiel maximum entre les deux bobinages enroulés conjointement n'est pas supérieure à la tension maximale supportée par l'enroulement Bi, identifiée par la suite VE, à laquelle s'ajoute la différence de potentiel maximum entre deux fils d'un même bobinage au niveau vp du même pôle, soit -^ ou n est le nombre de paires de pôles.
En pratique, pour un circuit d'alimentation connecté au réseau d'alimentation secteur de 230 volts efficaces, compte tenu des variations normalisées, la tension aux bornes du filtre capacitif peut atteindre environ 350 volts, ce qui peut conduire à des tensions lors des commutations d'environ 500 volts. Les potentiels inscrits sur la figure 3 tiennent compte d'une marge de sécurité d'environ 20%, et la tension maximum entre les fils d'un même enroulement reste inférieure à 700 volts. La tension maximale à laquelle peut être portée le collecteur d'un des transistors est quant à elle inférieure à 1200 volts. C'est cette valeur de tension maximum qui sert à déterminer la gamme du transistor nécessaire.
La figure 4 illustre les valeurs théoriques des courants et l2 sur les bobinages en fonction du temps, pour un certain point de fonctionnement du moteur, à une vitesse donnée. La figure 5a représente, toujours au niveau théorique, la composition des courants ( -l2) qui produisent le flux magnétique dans le moteur.
La figure 5b est un oscillogramme représentant réellement un point de fonctionnement du moteur, autre que celui de la simulation figure 5a. On observe la similitude de ces deux courbes, avec en plus un battement de fréquence dû à la fréquence du réseau, phénomène induit par la valeur faible du condensateur d'entrée 3, dans un souci de respect des normes CEM.
La figure 6 représente la tension mesurée sur le filtre capacitif.
Comme déjà dit, lorsque chaque transistor Ti, T2 est bloqué, l'énergie emmagasinée dans chaque enroulement B^ B2 transite via une diode D22, Du jusqu'au condensateur d'entrée 3. En raison du couplage imparfait, un courant circule, via les diodes D-i, D2 et via le circuit de récupération.
Dans une forme avantageuse et économique, un tel circuit de récupération peut être un circuit RC parallèle dans lequel la résistance et la capacité sont déterminées de telle sorte que la résistance Rd soit apte à dissiper l'énergie correspondant à l'énergie magnétique stockée dans la partie non couplée de l'enroulement au moment de la commutation, tandis que le capacité Cd est apte à stocker ladite énergie magnétique sans que la tension à ses bornes ne s'élève au dessus d'une valeur préjudiciable pour les composants électroniques. Le courant parcourant le circuit de dissipation est illustré à la figure 7. Comme déjà dit, lors des phases transitoires, et notamment lors des montées en vitesse, la tension induite du moteur est relativement faible, ce qui conduit à une montée rapide du courant dans les enroulements B-,, B2.
Ainsi, à faible vitesse, la commutation intervient rapidement, et la tension du circuit de récupération ainsi que les pertes qu'il dissipe deviennent importantes. C'est pourquoi, lors des phases transitoires, notamment les montées en vitesse, les commandes des transistors sont régulées de manière à moduler, plus précisément à augmenter le temps de non conduction et l'intensité du courant.
Au global, la fréquence de commande des transistors est donc diminuée lorsque le moteur est en phase de démarrage.
La figure 8 illustre la réalisation de cette fréquence globale en fonction de la vitesse du moteur.
Dans l'exemple particulier décrit ci-avant, au démarrage du moteur, la fréquence de commutation est de l'ordre de 2 kHz, alors qu'elle est de 2 à 3 fois plus grande lorsque le moteur tourne à sa vitesse nominale.
De la même manière, pour limiter la dissipation d'énergie dans le circuit de récupération, et ainsi le dimensionnement des diodes D-,, D2, de la capacité Cd et la résistance Rd, on détermine une valeur limite du courant à laquelle le transistor doit être bloqué.
Selon une caractéristique de l'invention, cette limite de courant est inférieure pour des vitesses basses, comparativement au régime nominal. En effet, à faible vitesse, la tension induite du moteur ne participe pas à la dissipation de l'énergie.
La valeur de la tension d'entrée aura donc tendance à augmenter ainsi que la tension du circuit de récupération. Pour éviter de surdimensionner les composants Rd, Cd du circuit de récupération, on préférera donc limiter plus fortement le courant à faible vitesse, en utilisant l'information issue d'un capteur de courant I constitué, comme illustré à la figure 1 par un "shunt" 20 disposé entre la borne négative du filtre capacitif 9 et les émetteurs 7, 8 des transistors T-i, T2.
Dans l'exemple décrit ci-avant, la valeur du courant maximale est de 20 A au régime nominal, et cette limite est portée à 10A à faible vitesse, comme illustré à la figure 9.
Dans une autre variante de réalisation, telle qu'illustrée à la figure 10, les deux interrupteurs statiques présentent en anti-parallèle une diode Zener Dz-i, Dz2, active lors des commutations.
Plus précisément, lorsque le transistor T-i s'éteint, le courant dans l'enroulement B-i traverse la diode Zener Dzi. Grâce au couplage des enroulements Bi et B2, un courant opposé prend naissance dans B2, et circule à travers la diode Zener Dz2, le transistor T2 étant éteint.
En pratique, les diodes Zener peuvent faire l'objet de composants spécifiques pris en anti-parallèle des transistors, ou bien encore être intégrées à l'intérieur des composants constituants les interrupteurs (par exemple composants MOS).
Dans ce dernier cas, le circuit d'alimentation s'avère particulièrement intéressant du fait du nombre extrêmement réduit de composants qu'il inclut.
Dans une autre variante de réalisation illustrée à la figure 11 , l'onduleur comprend sur chaque bras un circuit de récupération destiné à stocker une partie de l'énergie magnétique emmagasinée dans les enroulements B-i, B2 au moment de la commutation.
Plus précisément, un tel circuit de récupération, monté en parallèle de l'interrupteur statique, inclut une résistance Zn, et une capacité C-i montées en série, le tout étant en parallèle du transistor Ti. Une diode Du en anti-parallèle du transistor est également prévue.
La résistance
Figure imgf000017_0001
peut être constituée d'une résistance simple, ou bien encore de deux résistances mises en série, dont l'une comporte une diode en parallèle, de manière à ce que la résistance présente deux valeurs différentes en fonction du sens du courant. La constante de temps du circuit peut ainsi adopter deux valeurs en fonction de la phase de fonctionnement.
Ainsi, lorsque le transistor T-i s'éteint, le courant circulant dans l'enroulement Bi charge la capacité Ci par l'intermédiaire de la résistance Z^- De la sorte, la capacité Ci se charge et le courant de l'enroulement Bi diminue. Dû au couplage des deux bobinages, un courant apparaît sur le bobinage B2 qui décharge le condensateur C2. Au moment de la fermeture du transistor T2, en retard par rapport à l'ouverture de TX la tension aux bornes de ce transistor est nulle ou quasi nulle, permettant de récupérer pratiquement toute l'énergie de commutation.
Il ressort de ce qui précède que le moteur et le circuit d'alimentation associés conformes à l'invention, présentent de multiples avantages, et notamment :
- un nombre d'interrupteurs statiques limités à deux ;
- une limitation de la tension entre les fils des deux enroulements du moteur, grâce à la configuration multipolaire ;
- un rendement satisfaisant grâce à l'élimination des pertes fer par le choix d'un stator sans pièce polaire en fer ;
- la possibilité de limiter les pertes dans le circuit de dissipation et le dimensionnement du même circuit grâce à une régulation simplifiée concernant le courant maximum et la fréquence de commutation dans les plages de faible vitesse ;
- un bon rendement dû à l'abaissement de l'inductance de phase en configuration multipolaire;
- une réduction de la taille du condensateur de filtrage grâce à l'abaissement de l'inductance de phase; - une réduction des pertes due au fort couplage et donc à la faible valeur d'inductance de fuite.
Applications industrielles Le moteur électrique et son circuit d'alimentation conformes à l'invention peuvent être employés dans de multiples applications, et notamment dans l'entraînement de turbines ou de ventilateurs.
Ainsi, dans le domaine de l'électroménager, et notamment pour l'équipement d'aspirateurs électriques, l'invention propose une solution parfaitement adaptée et économique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble moteur électrique sans collecteur et dispositif d'alimentation dudit moteur, dans lequel : - le moteur présente un nombre de paires de pôles n supérieur ou égal à deux, et comporte deux enroulements (Bi, B2) constitués chacun d'une pluralité de bobinages (F-ι-F6 ; GrG6) en série correspondant chacun à un pôle (Pi-Pδ) du moteur, les deux enroulements (B ; B2) étant bobinés conjointement de sorte que les bobinages (F F6 ; G-i-Gβ) de chaque enroulement (B^ B2) sont magnétiquement couplés pôle par pôle, une des bornes (e-i) d'un des enroulements (Bi) étant électriquement reliée avec la borne (s2) de l'autre enroulement (B2) correspondant à l'extrémité opposée de l'enroulement, pour former un point commun, - le dispositif d'alimentation du moteur comporte : . une source de tension redressée, présentant une borne dite positive et une borne dite négative ;
. deux interrupteurs statiques unidirectionnels (T-i, T2) dont une première borne (7, 8) est reliée à la borne négative (9) de la source de tension, et dont la seconde borne (10, 11 ) est reliée à une des bornes (si, e2) d'un des enroulements (Bi., B2) du moteur, différente du point commun (e-i, s2) des deux enroulements.
2. Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le moteur comporte un stator sans pièce polaire en fer.
3. Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la vitesse de rotation du moteur est supérieure à 25000 tours par minute.
4. Ensemble selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les interrupteurs statiques (Ti, T2) sont associés à des moyens de commande qui sont aptes à moduler le temps d'ouverture des interrupteurs statiques sur la plage de vitesse du moteur.
5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes à moduler l'intensité maximale admissible pour le courant circulant dans le moteur sur la plage de vitesse du moteur.
6. Ensemble selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de commande sont connectés à un capteur (20) de courant (I) apte à mesurer le courant circulant dans le moteur.
7. Ensemble selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit dissipatif apte à dissiper une partie de l'énergie magnétique emmagasinée dans les enroulements (Bi, B2) lorsque les interrupteurs statiques (Ti, T2) s'ouvrent.
8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de dissipation (17) est en partie commun pour les deux enroulements du moteur.
9. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit dissipatif est relié d'une part à la borne dite positive de la source de tension, et d'autre part, aux secondes bornes (Si, e2) des interrupteurs statiques (T-i, T2) au moyen de diodes (D1 ; D2).
10. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit dissipatif est constitué par une diode Zener mise en parallèle avec chaque interrupteur statique.
1 1. Ensemble selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de récupération apte à stocker une partie de l'énergie magnétique emmagasinée dans les enroulements (Bi, B2), lorsque les interrupteurs statiques (TX T2) s'ouvrent.
12. Ensemble selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que le circuit de récupération comporte une résistance et une capacité en série disposées en parallèle avec chaque interrupteur statique.
13. Aspirateur électrique équipé d'un ensemble selon l'une des revendications 1 à 12.
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