WO2004084402A1 - Dispositif de commutation, palier a roulement et moteur electrique utilisant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de commutation, palier a roulement et moteur electrique utilisant un tel dispositif Download PDF

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WO2004084402A1
WO2004084402A1 PCT/FR2004/000405 FR2004000405W WO2004084402A1 WO 2004084402 A1 WO2004084402 A1 WO 2004084402A1 FR 2004000405 W FR2004000405 W FR 2004000405W WO 2004084402 A1 WO2004084402 A1 WO 2004084402A1
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switching
motor
absolute coding
processing circuit
signal processing
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PCT/FR2004/000405
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Franck Landrieve
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Aktiebolaget Skf
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/443—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed mounted in bearings
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    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/007—Encoders, e.g. parts with a plurality of alternating magnetic poles
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
    • H—ELECTRICITY
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    • F16C19/04—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly
    • F16C19/06—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly with a single row or balls
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings

Definitions

  • the invention relates to the field of switching aid.
  • the invention relates to a device intended to ensure the switching of the stator windings of an electric motor, in particular of a brushless motor, also called "brushless".
  • a conventional brushless motor comprises a stator with generally three phases and three times n windings according to the number n of windings per phase, a rotor provided with permanent magnets or a sheet metal cage with a number of poles ranging from 4 to 24 and a device ensuring the switching of the current in the stator windings.
  • the switching device can use sensors, such as Hall effect probes, which detect the angular position of the rotor poles relative to the stator windings. On the basis of the information supplied by these sensors, the phases of the stator windings are switched by the electronic control system.
  • Each signal from a sensor comprises a succession of pulses which must be indexed on the angular position of the rotor to ensure switching at a very precise angle.
  • the quality of the motor control depends directly on the correct choice of angles at which these switches must be made.
  • the position sensors can be integrated into the stator or onto a fixed part integral with the latter.
  • An instrumented bearing generally comprises a coding wheel secured to the rotating inner ring mounted on the rotor shaft and a sensor block.
  • the encoder wheel is in the form of a multipolar ring.
  • Such a device must be mechanically indexed with respect to the stator and the rotor during the mounting of the instrumented bearing in the brushless motor in order to be able to correctly ensure its switching function during subsequent operation of the motor. It is indeed necessary that the encoder ring secured to the rotating ring of the bearing be angularly indexed relative to the poles of the stator and that the sensors secured to the non-rotating ring of the bearing via the sensor body are angularly indexed relative to stator windings. This condition is necessary to know the angular position of the rotor poles with respect to the stator poles.
  • the instrumented bearing must therefore include elements making it possible to carry out these indexings during the mounting of said instrumented bearing in the engine.
  • These elements can be, for example, visual or mechanical marks made on the inner ring and the rotor shaft for angular indexing of the encoder ring relative to the rotor or made on the outer ring where the sensor body is the stator housing for the angular indexing of the sensors with respect to the stator windings. It is also possible to provide pre-indexing systems for instrumented bearings, as described in document FR-A-2 804 479.
  • the present invention aims to remedy these problems.
  • the present invention provides a particularly precise switching device.
  • the switching device according to one aspect of the invention is intended in particular for switching the stator windings of a brushless motor.
  • the device comprises an absolute coding system for the angular position of a rotating element able to be mounted on a motor rotor and a signal processing circuit associated with the absolute coding system and programmed to deliver a switching pulse intended for a motor control system when the instantaneous angular position of the rotor reaches a corresponding angular switching position stored in a memory of the signal processing circuit.
  • the absolute coding system enables extremely precise location of the rotor switching position.
  • the signal processing circuit associated or not with an instrumented bearing makes it possible to send a quantity of information at the output of the device. relatively weak, in any case much lower than that from the absolute coding system.
  • the absolute coding system can be magnetic, inductive, capacitive, or even optical.
  • the bearing includes a support body for the absolute coding system and the signal processing circuit.
  • the signal processing circuit is advantageously arranged near the absolute coding system.
  • the device includes a programmable memory associated with the signal processing circuit.
  • the programmable memory and the signal processing circuit are integral with a card housed in a support body of the absolute coding system.
  • the programmable memory and / or the signal processing circuit are housed outside a support body of the absolute coding system.
  • the programmable memory can for example be housed in a connection plug.
  • the invention also provides a rolling bearing comprising a rotating ring, a non-rotating ring, at least one row of rolling elements and a switching device comprising a system for absolute coding of the angular position of the rotating ring capable of being mounted. on a motor rotor and a signal processing circuit associated with the absolute coding system and programmed to deliver a switching pulse intended for a motor control system when the rotor reaches a corresponding angular switching position.
  • the absolute coding system comprises an encoder ring secured to the rotating ring and sensor elements secured to the non-rotating ring.
  • the invention also provides a brushless electric motor, comprising a rotor, a stator and a switching device comprising a system for absolute coding of the angular position of a rotating bearing ring mounted on the motor rotor and a processing circuit. of the signal associated with the absolute coding system and programmed to deliver a switching pulse intended for a motor control system when the rotor reaches an angular switching position.
  • the invention also proposes a method for initializing a circuit for processing the instrumented bearing signal for switching a brushless electric motor, comprising the following steps: - mounting the instrumented bearing in the motor,
  • FIGS. 1 and 2 show examples of programming the switching angles for a three-phase brushless motor
  • FIG. 3 is a schematic view of an electric motor according to one aspect of the invention.
  • FIG. 4 is a view in axial section of an instrumented bearing according to one aspect of the invention.
  • FIG. 5 is a variant of FIG. 4.
  • the invention associates an absolute angular coding system making it possible to generate a signal representative of the absolute angular position of the encoder and a circuit for processing the output signal of the absolute angular coding system arranged nearby and programmed to deliver a switching pulse intended to an electric motor control system when the rotor of the electric motor reaches a corresponding angular switching position.
  • An absolute encoder device is described for example by document EP-A-1 092 955 according to the principle of detection by a plurality of Hall effect cells of modification of the magnetic conditions.
  • the switching device therefore sends phase-shifted signals, which can be exploited by the engine control system and which provide numerous advantages over conventional devices.
  • the switching can be carried out optimally at angles corresponding to the real characteristics of the motor, which are then recorded in the processing circuit or in a memory.
  • the current equipment allows precise measurement of the angles optimum switching by measuring the electrical characteristics of the motor while it is running.
  • a microcontroller integrated in the bearing comprising an electrically erasable programmable memory circuit, known under the name EEPROM, as well as a programming device which allows the choice and the 'recording of the switching positions once the motor has been assembled. This therefore allows adjustment to the card, motor by motor and phase by phase, of the switching angles without increasing the processing by the control electronics.
  • the EEPROM of the sensor bearing fitted with the programming device can be easily programmed in the conventional way using the circuit connections which will subsequently be used to supply and deliver the signals.
  • the relevant characteristics of the engine can be recorded in the instrumented bearing which is mounted in said engine. This is another advantage compared to a configuration integrated into an external engine control system. Indeed, the external system follows a manufacturing process distinct from that of the engine to which it must then be paired by integrating the specific operating parameters of said engine. It follows that any maintenance intervention or change of said external system which is more likely to occur than an intervention on a bearing, then requires a prior saving of the memorized parameters or a new pairing with the engine to be controlled.
  • FIG. 2 shows three phase-shifted signals of approximately 120 ° sent by the signal processing circuit to the motor control software to effect the switching of the stator phases.
  • the number of signal output connections of the instrumented bearing corresponds to the maximum number of coils, for example six, which it is supposed to control for all of the targeted applications. If the engine in which it is mounted has a number lower of coils, three for example, only part of the outputs are programmed which are programmed accordingly.
  • the brushless motor 1 comprises a rotor 2 with six poles and a stator 3 with three coils, an absolute coding device 4 associated with a bearing (not shown) arranged between the rotor and a casing integral with the stator 3, a signal processing circuit 5, a memory 6 of the electrically erasable type, and a control system 7.
  • the switching angles ⁇ l l to ⁇ l6 measured by rotating the rotor 2 relative to the stator 3 are loaded into memory 6.
  • the signal processing circuit 5 connected to memory 6 and to the absolute coding device 4 receives from the absolute coding device 4 the values ⁇ of the instantaneous angular position of the rotor and the programmed switching values ⁇ l l to ⁇ l6 from memory 6.
  • the signal processing circuit 5 sends, when a value ⁇ received from the absolute coding device 4 is equal to one of the values rs ⁇ l l to ⁇ l 6 from the memory 6, corresponding pulses, for example in the form of phase-shifted square signals exploitable by the motor control system 7, which is equipped with a signal processing stage provided with control software and a power stage connected to the electrical inputs of motor 1.
  • FIG. 4 an instrumented bearing 8 equipped with an absolute coding device 4 and a signal processing circuit 5. More specifically, the bearing 8 comprises an outer ring 9 defining a rolling track 10, an inner ring 11 defining a raceway 12, a row of rolling elements 13, here balls, arranged between the raceways 10 and 12 held by a cage 14 and a seal 15 mounted in an annular groove 16 of the ring exterior 9, rubbing on a outer cylindrical bearing surface of the inner ring 11 to close off one of the sides of the bearing 8.
  • the bearing 8 comprises an outer ring 9 defining a rolling track 10, an inner ring 11 defining a raceway 12, a row of rolling elements 13, here balls, arranged between the raceways 10 and 12 held by a cage 14 and a seal 15 mounted in an annular groove 16 of the ring exterior 9, rubbing on a outer cylindrical bearing surface of the inner ring 11 to close off one of the sides of the bearing 8.
  • the absolute coding device 4 comprises an encoder ring 17 comprising a support 18 fitted on an outer cylindrical bearing surface of the inner ring 11 and an active part 19 surrounding the support 18.
  • the support 18 can be made of metal, for example light alloy or steel.
  • the active part 19 can be produced in the form of an encoder ring magnetized in plastoferrite or in elastoferrite comprising a plurality of circumferentially regularly distributed magnetic poles, of alternating polarities.
  • the absolute coding device 4 also includes a sensor block 20, a plurality of sensor elements 21, such as Hall effect cells, a printed or integrated circuit card 22, a plug 23, and a wired terminal 24.
  • the block sensor 20 is in the form of a ring whose bore is of diameter slightly greater than the bore of the inner ring 11 and whose outer peripheral surface is of diameter slightly less than the outer diameter of the outer ring 9.
  • the sensor block 20 is fitted into a groove 25 symmetrical with the groove 16 with respect to a plane passing through the center of the rolling elements 13, and is in contact with the radial front surface 9a of the outer ring 9.
  • the sensor block 20 comprises a rib 26 formed at its end of small diameter and projecting towards the inner ring 11 with which it forms a narrow passage 27 preventing the intrusion of elements rangers.
  • the sensor elements 21 are arranged in contact with the part of the sensor block 20 which projects into the groove 25 and radially surround the active part of the coding ring 17, being separated therefrom by a small radial gap.
  • the sensor elements 20 are connected mechanically and electrically by their pins 28 to the card 22.
  • the card 22 includes the electronic circuits associated with the sensor elements 21 and supports the signal processing circuit 5 which can be arranged on a face of the card opposite to the sensor elements 21.
  • the card 22 in the form of a disc is in fact arranged in an annular opening 29 formed in the sensor block 20 and is in abutment contact with shoulders 30 and 31 formed in said opening 29.
  • the plug 23 comes to close said opening 29 and maintain the card 22 in its position.
  • the wired terminal 24 is disposed on the outer peripheral surface of the sensor unit 20.
  • a cable 32 is produced therefrom, which ends in a connector 33, in which the electrically erasable memory 6 associated with a microcontroller is disposed.
  • the embodiment illustrated in FIG. 5 differs from the previous one in that the connector 33 is devoid of memory.
  • the memory 6 is supported by the card 22 near the absolute coding device 4 and the signal processing circuit 5.
  • one benefits from an extremely precise knowledge of the angular position of the rotor relative to the stator, thanks to the absolute coding device 4, from a precise knowledge of. optimal real switching angles of the electric motor, thanks to the memory 6 and a weak data flow towards the motor control software, thanks to the signal processing circuit 5 which can send only signals corresponding to the angles of switching and allowing any control system to receive the necessary switching information.
  • the invention can perfectly increase the performance of an existing electric motor provided with an ordinary control system by providing it with particularly precise angular information and a relatively weak data flow which can be in the conventional form of three signals. angularly offset squares. It is therefore easy to modernize and optimize a conventional brushless electric motor with the switching system according to the invention.

Abstract

Dispositif de commutation, en particulier pour la commutation des bobinages du stator (3) d'un moteur électrique (1), comprenant un système de codage absolu (4) de la position angulaire d'un élément tournant apte à être monté sur le rotor (2) du moteur (1) et un circuit de traitement du signal (5) associé au système de codage absolu (4) et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage (7) du moteur (1) lorsque le rotor (2) atteint la position angulaire de commutation correspondante.

Description

Dispositif de commutation, palier à roulement et moteur électrique utilisant un tel dispositif.
L' invention relève du domaine de l' aide à la commutation.
L' invention concerne un dispositif destiné à assurer la commutation des bobinages du stator d' un moteur électrique, en particulier d'un moteur sans balai, également appelé « brushless ».
On rappellera ici qu' un moteur sans balai conventionnel comporte un stator avec en général trois phases et trois fois n bobinages suivant le nombre n de bobinages par phase, un rotor pourvu d'aimants permanents ou d'une cage en tôle avec un nombre de pôles pouvant aller de 4 à 24 et un dispositif assurant la commutation du courant dans les bobinages du stator. Le dispositif de commutation peut utiliser des capteurs, tels que des sondes à effet Hall, qui assurent la détection de la position angulaire des pôles du rotor par rapport aux bobinages du stator. Sur la base des informations délivrées par ces capteurs, les phases des bobinages du stator sont commutées par le système électronique de pilotage. Chaque signal issu d'un capteur comporte une succession d'impulsions qui doivent être indexées sur la position angulaire du rotor pour assurer la commutation à un angle bien précis. La qualité du pilotage du moteur dépend directement du bon choix des angles auxquels doivent se faire ces commutations. Les capteurs de position peuvent être intégrés au stator ou sur une pièce fixe solidaire de ce dernier.
On cherche de plus en plus à utiliser des roulements instrumentés pour assurer cette fonction de commutation. On remplace alors l' un des deux roulements conventionnels servant à monter à rotation le rotor par rapport au stator par un roulement instrumenté de commutation.
Un roulement instrumenté comprend en général une roue codeuse solidaire de la bague intérieure tournante montée sur l' arbre du rotor et un bloc capteur. La roue codeuse se présente sous la forme d'un anneau multipolaire.
Un tel dispositif doit être indexé mécaniquement par rapport au stator et au rotor lors du montage du roulement instrumenté dans le moteur sans balai pour pouvoir assurer correctement sa fonction de commutation lors du fonctionnement ultérieur du moteur. Il faut en effet que l'anneau codeur solidaire de la bague tournante du roulement soit indexé angulairement par rapport aux pôles du stator et que les capteurs solidaires de la bague non tournante du roulement par l'intermédiaire du corps de capteur soient indexés angulairement par rapport aux bobinages du stator. Cette condition est nécessaire pour connaître la position angulaire des pôles du rotor par rapport aux pôles du stator. Le roulement instrumenté doit donc comporter des éléments permettant de réaliser ces indexages lors du montage dudit roulement instrumenté dans le moteur. Ces éléments peuvent être, par exemple, des repères visuels ou mécaniques réalisés sur la bague intérieure et l' arbre du rotor pour l'indexage angulaire de l' anneau codeur par rapport au rotor ou réalisés sur la bague extérieure où le corps de capteur est le carter du stator pour l' indexage angulaire des capteurs par rapport aux bobinages du stator. On peut également prévoir des systèmes de pré-indexation des roulements instrumentés, comme cela est décrit dans le document FR-A-2 804 479.
Quand le moteur est en fonctionnement, des signaux sont envoyés au logiciel de pilotage du moteur, ce qui déclenche les commutations des bobines du stator en fonction de la position angulaire du rotor. De tels dispositifs présentent toutefois certains inconvénients. D' une part, l'indexage reste une opération délicate qui nécessite des dispositifs particuliers. D' autre part, les angles de commutation, pour des raisons de tolérance mécanique de réalisation des différents éléments, ne sont pas forcément les mêmes d'une phase à une autre et d'un moteur à l' autre. Aux tolérances dues à la précision de l'indexage, vient s' ajouter un empilage des tolérances dû à la chaîne d' éléments mécaniques qui existe, premièrement entre le roulement et le stator, deuxièmement entre le roulement et le rotor. Ceci est à l' origine de bruits parasites de fonctionnement et de pertes de rendement du moteur.
La présente invention vise à remédier à ces problèmes. La présente invention propose un dispositif de commutation particulièrement précis. Le dispositif de commutation, selon un aspect de l' invention, est destiné en particulier à la commutation des bobinages du stator d' un moteur sans balai. Le dispositif comprend un système de codage absolu de la position angulaire d'un élément tournant apte à être monté sur un rotor de moteur et un circuit de traitement du signal associé au système de codage absolu et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur lorsque la position angulaire instantanée du rotor atteint une position angulaire de commutation correspondante stockée dans une mémoire du circuit de traitement du signal. Le système de codage absolu permet un repérage extrêmement précis de la position angulaire de commutation du rotor. Le circuit de traitement du signal associé ou non à un roulement instrumenté, permet d' envoyer en sortie du dispositif une quantité d' informations relativement faible, en tout cas largement inférieure à celle issue du système de codage absolu.
Selon différents modes de réalisation de l'invention, le système de codage absolu peut être magnétique, inductif, capacitif, ou encore optique.
Dans un mode de réalisation de l' invention, le roulement comprend un corps de support du système de codage absolu et du circuit de traitement du signal. Le circuit de traitement du signal est avantageusement disposé à proximité du système de codage absolu. Dans un mode de réalisation de l' invention, le dispositif comprend une mémoire programmable associée au circuit de traitement du signal.
Dans un mode de réalisation de l' invention, la mémoire programmable et le circuit de traitement du signal sont solidaires d'une carte logée dans un corps de support du système de codage absolu.
Dans un autre mode de réalisation de l' invention, la mémoire programmable et/ou le circuit de traitement du signal sont logés hors d'un corps de support du système de codage absolu. La mémoire programmable peut par exemple être logée dans une fiche de connexion.
L'invention propose également un palier à roulement comprenant une bague tournante, une bague non tournante, au moins une rangée d' éléments roulants et un dispositif de commutation comprenant un système de codage absolu de la position angulaire de la bague tournante apte à être montée sur un rotor de moteur et un circuit de traitement du signal associé au système de codage absolu et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur lorsque le rotor atteint une position angulaire de commutation correspondante.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le système de codage absolu comporte un anneau codeur solidaire de la bague tournante et des éléments capteurs solidaires de la bague non tournante.
L'invention propose également un moteur électrique sans balai, comprenant un rotor, un stator et un dispositif de commutation comprenant un système de codage absolu de la position angulaire d' une bague tournante de roulement montée sur le rotor du moteur et un circuit de traitement du signal associé au système de codage absolu et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur lorsque le rotor atteint une position angulaire de commutation.
L'invention propose encore un procédé d'initialisation d'un circuit de traitement du signal de roulement instrumenté pour la commutation d' un moteur électrique sans balai, comprenant les étapes suivantes : - montage du roulement instrumenté dans le moteur,
- mesure des angles optimaux de commutation du moteur,
- programmation des angles de commutation dans le circuit de traitement du signal associé au roulement.
On peut ainsi réaliser un réglage de commutation adapté à chaque moteur en détectant les angles réels optimaux de commutation et en les programmant dans le circuit de traitement. On parvient ainsi à augmenter le rendement du moteur électrique, ce qui se traduit par une réduction des bruits de fonctionnement, une réduction de la consommation d' énergie électrique, une réduction de la température interne du moteur électrique et un accroissement de sa durée de fonctionnement. L'invention sera mieux comprise à l' étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d' exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
-les figures 1 et 2 montrent des exemples de programmation des angles de commutation pour un moteur sans balai à trois phases ;
-la figure 3 est une vue schématique d' un moteur électrique selon un aspect de l' invention ;
-la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un roulement instrumenté selon un aspect de l' invention ; et -la figure 5 est une variante de la figure 4.
L'invention associe un système de codage angulaire absolu permettant de générer un signal représentatif de la position angulaire absolue du codeur et un circuit de traitement du signal de sortie du système de codage angulaire absolu disposé à proximité et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage du moteur électrique lorsque le rotor du moteur électrique atteint une position angulaire de commutation correspondante. Un dispositif de codeur absolu est décrit par exemple par le document EP-A- 1 092 955 selon le principe de la détection par une pluralité de cellules à effet Hall de modification des conditions magnétiques.
Le dispositif de commutation suivant l' invention envoie donc des signaux déphasés, exploitables par le système de pilotage du moteur et en procurant de nombreux avantages par rapport aux dispositifs conventionnels. La commutation peut être effectuée de façon optimale suivant des angles correspondant aux caractéristiques réelles du moteur, qui sont alors enregistrés dans le circuit de traitement ou dans une mémoire. Une fois le montage du moteur électrique effectué, les équipements actuels permettent de mesurer avec précision les angles optimum de commutation en mesurant les caractéristiques électriques du moteur pendant qu' on le fait tourner. Pour pouvoir exploiter au maximum la souplesse offerte par ce système, on peut utiliser un microcontrôleur intégré au roulement comportant un circuit de mémoire programmable et effaçable électriquement, connu sous l' appellation EEPROM, ainsi qu'un dispositif de programmation qui permette le choix et l' enregistrement des positions de commutation une fois le moteur assemblé. Ceci permet donc un ajustement à la carte, moteur par moteur et phase par phase, des angles de commutation sans alourdir le traitement par l'électronique de pilotage.
On peut ainsi utiliser des versions peu sophistiquées de logiciel de pilotage de moteur sans balai et éviter de remplacer celles déj à utilisées. L'EEPROM du roulement capteur équipé du dispositif de programmation, peut être facilement programmé de façon classique en utilisant les connexions du circuit qui serviront par la suite à l' alimentation et à la délivrance des signaux.
On résout le problème de l' indexage mécanique du roulement instrumenté par rapport au moteur qui devient inutile. L' indexage se fait de façon simple par programmation des positions de commutation mesurées et non plus théoriques une fois que le roulement instrumenté est en place dans le moteur. La précision des angles auxquels la commutation est commandée est directement liée à la haute résolution obtenue par le dispositif de codage absolu de position angulaire sans nécessiter toutefois le débit d' informations lié à la transmission des autres impulsions correspondant aux positions angulaires et qui ici ne sont pas utiles.
Les caractéristiques concernées du moteur peuvent être enregistrées dans le roulement instrumenté qui est monté dans ledit moteur. Ceci constitue un autre avantage par rapport à un paramétrage intégré dans un système externe de pilotage du moteur. En effet, le système externe suit un processus de fabrication distinct de celui du moteur auquel il doit ensuite être apparié en y intégrant les paramètres spécifiques de fonctionnement dudit moteur. Il en résulte que toute intervention de maintenance ou de changement dudit système externe qui a plus de chance de survenir qu'une intervention sur un roulement, nécessite alors une sauvegarde préalable des paramètres mémorisés ou un nouvel appariement avec le moteur à piloter.
Sur la figure 1, on voit les valeurs programmées αl l à αl6 de commutation du signal 1 en fonction de la position angulaire α du rotor par rapport à un zéro arbitraire ou calculé, lesdites valeurs programmées étant mémorisées dans la mémoire effaçable électriquement et permettant au dispositif d' exploitation de signal de générer les impulsions de commutation correspondantes lorsque la position angulaire α du rotor détectée par le système de codage absolu du roulement correspond aux angles de commutation programmés. Dans cet exemple, on va considérer que le rotor comporte six pôles, d' où six valeurs αl l à αl6 programmées pour les fronts montants du premier signal. On peut procéder de la même façon par programmation des fronts descendants de chaque signal.
Pour la simplification du dessin, seuls les angles programmés correspondant aux fronts montants du premier signal sont représentés.
La figure 2 montre trois signaux déphasés d'environ 120° envoyés par le circuit de traitement du signal vers le logiciel de pilotage du moteur pour réaliser la commutation des phases du stator.
Le nombre de connexions de sortie de signaux du roulement instrumenté correspond au nombre maximum de bobines, par exemple six, qu'il est sensé piloter sur l'ensemble des applications visées. Dans le cas où le moteur dans lequel il est monté comporte un nombre inférieur de bobines, trois par exemple, on n'utilise qu'une partie des sorties qui sont programmées en conséquence.
Sur la figure 3, le moteur sans balai 1 comprend un rotor 2 à six pôles et un stator 3 à trois bobines, un dispositif de codage absolu 4 associé à un roulement non représenté disposé entre le rotor et un carter solidaire du stator 3, un circuit de traitement du signal 5, une mémoire 6 du type effaçable électriquement, et un système de pilotage 7. Après le montage du moteur, les angles de commutation αl l à αl6 mesurés en faisant tourner le rotor 2 par rapport au stator 3, sont chargés dans la mémoire 6. Lors du fonctionnement du moteur, le circuit de traitement du signal 5 relié à la mémoire 6 et au dispositif de codage absolu 4 reçoit du dispositif de codage absolu 4 les valeurs α de la position angulaire instantanée du rotor et les valeurs de commutation programmées αl l à αl6 en provenance de la mémoire 6. Le circuit de traitement du signal 5 envoie, lorsqu'une valeur α reçue en provenance du dispositif de codage absolu 4 est égale à l'une des valeurs αl l à αl 6 en provenance de la mémoire 6, des impulsions correspondantes, par exemple sous la forme de signaux carrés déphasés exploitables par le système de pilotage du moteur 7, lequel est équipé d' un étage de traitement du signal pourvu d' un logiciel de pilotage et d' un étage de puissance relié aux entrées électriques du moteur 1.
Sur la figure 4, est illustré un roulement instrumenté 8 équipé d' un dispositif de codage absolu 4 et un circuit de traitement du signal 5. Plus précisément, le roulement 8 comprend une bague extérieure 9 définissant une piste de roulement 10, une bague intérieure 11 définissant une piste de roulement 12, une rangée d' éléments roulants 13, ici des billes, disposés entre les pistes de roulement 10 et 12 maintenus par une cage 14 et un joint d'étanchéité 15 monté dans une rainure annulaire 16 de la bague extérieure 9, venant frotter sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 11 pour obturer l' un des côtés du roulement 8.
De l' autre côté du roulement 8, le dispositif de codage absolu 4 comprend un anneau codeur 17 comprenant un support 18 emmanché sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 11 et une partie active 19 entourant le support 18. Le support 18 peut être réalisé en métal, par exemple en alliage léger ou en acier. La partie active 19 peut être réalisée sous la forme d'un anneau codeur magnétisé en plastoferrite ou en élastoferrite comportant une pluralité de pôles magnétiques circonférentiellement régulièrement répartis, de polarités alternées.
Le dispositif de codage absolu 4 comprend également un bloc capteur 20, une pluralité d'éléments capteurs 21, tels que des cellules à effet Hall, une carte du circuit imprimé ou intégré 22, un bouchon 23, et un terminal filaire 24. Le bloc capteur 20 se présente sous la forme d' un anneau dont l' alésage est de diamètre légèrement supérieur à l' alésage de la bague intérieure 11 et dont la surface périphérique extérieure est de diamètre légèrement inférieur au diamètre extérieur de la bague extérieure 9. Le bloc capteur 20 est emmanché dans une rainure 25 symétrique de la rainure 16 par rapport à un plan passant par le centre des éléments roulants 13, et est en contact avec la surface frontale radiale 9a de la bague extérieure 9. Le bloc capteur 20 comprend une nervure 26 formée à son extrémité de petit diamètre et en saillie en direction de la bague intérieure 11 avec laquelle elle forme un passage étroit 27 évitant l'intrusion d'éléments étrangers.
Les éléments capteurs 21 sont disposés en contact avec la partie du bloc capteur 20 qui fait saillie dans la rainure 25 et entourent radialement la partie active de l'anneau codeur 17 en en étant séparés par un faible entrefer radial. Les éléments capteurs 20 sont connectés mécaniquement et électriquement par leurs broches 28 à la carte 22. La carte 22 comprend les circuits électroniques associés aux éléments capteurs 21 et supporte le circuit de traitement du signal 5 qui peut être disposé sur une face de la carte opposée aux éléments capteurs 21. La carte 22 en forme de disque est en effet disposée dans une ouverture annulaire 29 formée dans le bloc capteur 20 et est en contact de butée avec des épaulements 30 et 31 formés dans ladite ouverture 29. Le bouchon 23 vient obturer ladite ouverture 29 et maintenir la carte 22 dans sa position. Le terminal filaire 24 est disposé sur la surface périphérique extérieure du bloc capteur 20. Un câble 32 en est issu, qui se termine par un connecteur 33, dans lequel la mémoire électriquement effaçable 6 associée à un microcontrôleur est disposée.
Le mode de réalisation illustré sur la figure 5 diffère du précédent en ce que le connecteur 33 est dépourvu de mémoire. La mémoire 6 est supportée par la carte 22 à proximité du dispositif de codage absolu 4 et du circuit de traitement du signal 5.
Dans les différents modes de réalisation de l'invention, on bénéficie d'une connaissance extrêmement précise de la position angulaire du rotor par rapport au stator, grâce au dispositif de codage absolu 4, d'une connaissance précise des. angles optimaux réels de commutation du moteur électrique, grâce à la mémoire 6 et d' un faible flux de données vers le logiciel de pilotage du moteur, grâce au circuit de traitement du signal 5 qui peut n'envoyer que des signaux correspondant aux angles de commutation et permettant à un système de pilotage quelconque de recevoir les informations nécessaires relatives à la commutation. Bien entendu, il est préférable d'utiliser un système de pilotage performant. Toutefois, l' invention peut parfaitement accroître les performances d' un moteur électrique existant pourvu d'un système de pilotage ordinaire en lui fournissant des informations angulaires particulièrement précises et un flux de données relativement faible qui peut se présenter sous la forme classique de trois signaux carrés décalés angulairement. On peut donc moderniser et optimiser facilement un moteur électrique sans balai conventionnel avec le système de commutation selon l'invention.
Au contraire, les roulements instrumentés pour commutation qui délivrent en général un signal par phase correspondant aux différentes positions angulaires théoriques où l' alimentation des bobines doit être commutée ne peuvent fournir une information de haute précision.
On comprendra également que l'utilisation directe d'un signal délivré par un dispositif de codage absolu par un système de pilotage du moteur nécessiterait un flux de données très important. Le logiciel de pilotage du moteur devrait en effet intégrer les valeurs des angles auxquelles doivent se faire les commutations qui peuvent être différentes d' une phase à l' autre et commander l' alimentation des bobines du stator en fonction de la valeur de la position angulaire du rotor fournie par le codeur absolu. En fait, la haute résolution des signaux générés par un codeur absolu entraîne un débit d' informations souvent trop important pour être traité par les systèmes de pilotage actuels des moteurs sans balai, même aux valeurs de vitesse de rotation courantes.

Claims

REVENDICATIONS
1-Dispositif de commutation, en particulier pour la commutation des bobinages du stator (3) d'un moteur sans balai, caractérisé en ce qu' il comprend un système de codage absolu (4) de la position angulaire d' un élément tournant apte à être monté sur le rotor
(2) dudit moteur (1) et un circuit de traitement du signal (5) associé au système de codage absolu (4) et programmé pour délivrer une impulsion de commutation destinée à un système de pilotage (7) du moteur (1 ) lorsque la position angulaire instantanée du rotor (2) atteint une position angulaire de commutation correspondante stockée dans une mémoire du circuit de traitement du signal.
2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de codage absolu est magnétique.
3-Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le système de codage absolu est inductif .
4-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de codage absolu est capacitif.
5-Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le système de codage absolu est optique. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps de support (20) du système de codage absolu et du circuit de traitement du signal.
7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une mémoire programmable (6) associée au circuit de traitement du signal.
8-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la mémoire programmable (6) et le circuit de traitement du signal (5) sont solidaires d'une carte (22) logée dans un corps de support (20) du système de codage absolu. 9-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la mémoire programmable et/ou le circuit de traitement du signal sont logés hors d'un corps de support du système de codage absolu.
10-Palier à roulement (8) comprenant une bague tournante (11), une bague non tournante (9), au moins une rangée d'éléments roulants
(13) et un dispositif selon l'une quelconque- "des -revendications précédentes.
11-Palier à roulement selon 10 caractérisé par le fait que le système de codage absolu comporte un anneau codeur (17) solidaire de la bague tournante (11) et des éléments capteurs 21 solidaires de la bague non tournante 9.
12-Moteur électrique sans balai ( 1) comprenant un rotor (2), un stator (3), une unité de pilotage (7) et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13-Moteur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que l'unité de pilotage (7) est distante du dispositif de commutation.
14 -Moteur selon la revendication 12 ou 13, caractérisé par le fait que le dispositif de commutation comprend un moyen pour transmettre à l'unité de pilotage une impulsion de commutation lorsque ledit rotor atteint une position de commutation.
15 -Procédé d'initialisation d'un circuit de traitement du signal de roulement instrumenté pour la commutation d'un moteur électrique sans balai, comprenant les étapes suivantes: montage du roulement instrumenté dans le moteur, - mesure des angles optimaux de commutation du moteur, et
- programmation des angles de commutation dans le circuit de traitement du signal associé au roulement.
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