WO2015040305A2 - Machine electrique comprenant au moins un capteur integre pour la detection de la position des poles magnetiques de son rotor - Google Patents

Machine electrique comprenant au moins un capteur integre pour la detection de la position des poles magnetiques de son rotor Download PDF

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WO2015040305A2
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power
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Bertrand Nogarede
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Bnce
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/02—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type
    • H02K37/04—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type with rotors situated within the stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/225—Detecting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/12—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil

Definitions

  • the invention relates to the technical field of electrical machines whose rotor has permeability accidents on its circumference. It may be machines with salient magnetic poles, and in particular variable reluctance machines for which the invention will be described in more detail. However, it can also be machines whose rotor is smooth poles, and which have notches in its magnetic circuit, forming areas of abrupt variation in magnetic permeability. More specifically, the invention relates to electrical machines comprising at least one integrated sensor for determining the angular position of the rotor.
  • the invention also relates to a control chain for operating the machine in autopilot mode, in motor mode and / or in generator mode, from measurements made by one or more integrated sensors.
  • This information can be calculated in real time using estimator models.
  • the real-time calculation proves to be too complex, for example because of severe operating conditions (high starting torque, operation in saturated conditions), the use of such models does not make it possible to obtain sufficient accuracy for allow the engine to function properly.
  • the use of a detection device is then necessary for reasons of reliability and safety.
  • the known detection devices differ according to the power regime of the power coils. When the power coils are energized in sinusoidal regime and produce a field rotating around the rotor, sync / resolver type high resolution detection devices are employed. An example is given in US2006 / 0197393. More specifically, the engine described in this document has an axial field generated by a permanent magnet present in the rotor.
  • This field is closed by two toothed pole pieces, radially offset by half a tooth.
  • the field is closed by the stator poles and the motor frame.
  • Sensitive coils are positioned on the stator, and are coupled with the power coils according to a coupling coefficient depending on the position of the rotor, thus forming a linear variable differential transformer, also known by the abbreviation LVDT for "Linear Variable Differential Transformer ".
  • LVDT Linear Variable Differential Transformer
  • low-resolution Hall-type probe-type detection devices are preferred.
  • the position of the rotor can be known via a device measuring the impedance variation at the terminals of the power coils from a carrier current.
  • the position of the rotor can also be determined by measuring the impedance variation across complementary reading coils, with each read coil wound around a power coil.
  • the power coils create high frequency magnetic fields (under the effect of pulse width modulation or hysteresis control) which drown the useful signal measured by the detection device in a noise which is difficult. even impossible to get rid of.
  • the impedance of the read coil is not only modulated mainly by the position of the rotor but also partly by the intensity of the current flowing in the power coil in a relationship non-linear. In this case, the discrimination of the two sources of modulation of the impedance is impossible, because of the noise high electromagnetic characteristic of the air gap of an electronically commutated electric machine.
  • the present invention aims in particular to solve the technical problems mentioned above and more particularly to provide a device for detecting the position of a rotor of an electric machine integrated in the machine, simple to implement, reliable and better sensitivity.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks mentioned above, by proposing an electrical machine incorporating at least one sensor for detecting magnetic permeability accidents on the surface of its rotor. More precisely, the sensor is integrated into the machine in order to reduce its dimensional impact and allow a more precise detection of relatively sudden variations in permeability, while benefiting from the safety provided by the use of a physical sensor.
  • the subject of the invention is thus an electrical machine comprising a rotor of substantially constant cross-section including on its surface at least two zones of distinct magnetic permeabilities, and a stator including at least two power coils capable of generating a distributed main radial magnetic field. symmetrically in relation to the median radial plane of the machine.
  • the machine also comprises at least one sensor generating a signal representative of the angular position of the rotor relative to the stator.
  • the invention is characterized in that the sensor is integral with the inner face of the stator, facing the rotor, and comprises:
  • a support based on a ferromagnetic material of elongate shape, the axis of greater dimension of the support being substantially parallel to the axis of rotation of the rotor; an electrical circuit forming at least one reading coil wound around the support.
  • the machine comprises a device for measuring the impedance of this electric circuit at a frequency different from that of the supply current of the power coils.
  • the invention consists in integrating into the motor a dedicated magnetic circuit, whose impedance in a frequency band away from the frequency spectrum of the main field, varies according to the position of the rotor. More precisely, the impedance of the magnetic circuit varies as a function of the gap between the sensor and the rotor.
  • the main magnetic field generated by the power coils in the machine is symmetrical with respect to the median radial plane, and preferably substantially invariant by translation along the axis of rotation of the rotor.
  • the axis of greater dimension of the sensor support is parallel or substantially parallel to the axis of rotation of the sensor. rotor, so that the main magnetic field is homogeneous along the sensor.
  • the center of the sensor is centered axially in the middle of the electric machine.
  • the sensor is wound in such a way that the measuring magnetic field it generates when it is traversed by the measurement current has an antisymmetry plane, which passes through the center of the sensor, so that the power and measurement fields are decoupled.
  • the electrical circuit of the sensor forms at least one read coil wound around the support, so that the axis of the reading coil or coils is in a radial plane, that is to say passing through the axis of rotation of the rotor.
  • the axis of a coil is defined as the axis passing through the center of the turns constituting the coil. With this orientation, the reading coil or reels are traversed by a main magnetic field which is almost uniform, and in any case symmetrical, for a given position of the rotor.
  • the senor comprises one or more read coils positioned so that a current supplying the electrical circuit of the sensor generates a magnetic field in the reading coil or coils which is antisymmetric with respect to a plane normal to the axis of the sensor. rotation of the rotor.
  • the measurement of the impedance of the sensor is at a frequency away from the frequency spectrum of the current flowing through the power coils, for example beyond the tenth harmonic, or well above the switching frequency for switched power supplies.
  • the main magnetic field acts symmetrically on the two reading coils, inducing opposite electromotive forces on the portions of the electrical circuit located on either side of the symmetry plane of the sensor.
  • the influence of the main magnetic field on the value of the induced voltage measured across the electrical circuit is minimal or even zero.
  • the sensor coils are wound in a symmetrical configuration geometrically with respect to the median plane of the sensor.
  • the electrical circuit of the sensor comprises one (or more) coils wound parallel to the axis of rotation, the surfaces of the turns are parallel to the main magnetic field.
  • the electromotive forces induced by the main magnetic field are almost totally or totally zero.
  • the electrical circuit may comprise one or more reading coils wound on a part or all along the support, generating little or no induced currents due to the main magnetic field.
  • a second reading coil is wound around the support and connected to the first coil.
  • the second coil is connected and wound symmetrically with respect to the first coil, in a plane normal to the axis of rotation of the rotor.
  • the first and the second reading coil have the same number of turns but are wound in the opposite direction or more generally their winding directions are symmetrical with respect to a plane normal to the axis of rotation of the rotor and they are connected so that a current flowing in the electrical circuit flows in opposite directions in the two reading coils.
  • the electrical circuit comprises a first reading coil wound around a first pad of the support, and a second coil wound around a second pad, so that these coils generate an antisymmetric magnetic field with respect to a plane transverse to the axis of rotation of the rotor, when the electric circuit is supplied with current. In this way, the effects generated by the main field on the entire electrical circuit of the sensor are minimal or zero.
  • the principle described with a pair of pads and coils can be declined with several pairs of read coils as described above, wound around as many pads belonging to the support, the pads being arranged in a radial plane to the axis of rotation of the rotor, respecting the symmetry of the sources which generates an antisymmetry of the magnetic field.
  • the senor is positioned facing the rotor. It can for example be fixed in a recess formed in a stator pole, facing the rotor, or between two power coils.
  • the elongated shape of the sensor allows easier integration thereof between the power coils.
  • the sensor is preferably positioned equidistant from two adjacent power coils, in order to minimize the influence of the main magnetic field on the electrical circuit of the sensor.
  • the sensor is preferably placed as close as possible to the magnetic poles of the rotor so that the gap is minimum between the sensor and the rotor, to allow a variation of the greatest possible impedance across the electrical circuit during operation. of the machine.
  • the value of this gap can be between 0.1 mm and a few centimeters, depending on the overall size of the machine.
  • the sensor can be arranged on a shim present in the stator, in order to optimally adjust the value of the gap.
  • the machine can comprise several sensors held in the machine by means of two rings centered on the axis of rotation of the rotor, placed on either side of the power coils. Each ring holds one end of the sensors. These holding means make it possible to position the sensors more quickly and more precisely in the machine, while allowing better air circulation around the power coils to cool them.
  • the support can be made in the form of a monolithic block of iron powder or compressed ferrite, to minimize the eddy currents that can be generated in the machine. support.
  • the support is therefore preferably composed of a magnetic material having good high frequency permeability, while minimizing its losses.
  • the orthoradial size of the support or in other words the width of the sensor measured circumferentially, can be chosen according to the speed of the machine. More precisely, certain advantages of a larger size of the sensor can be obtained when the rotational speed of the rotor is high.
  • the width of the sensor For relatively low rotational speeds, it is therefore possible to favor a width of the sensor that is relatively small compared to the width of a magnetic pole of the rotor.
  • a smaller size sensor makes it possible to detect mentally the passage of a pole of the rotor at the location of the sensor, with a strong ramp of variation of the measured impedance.
  • the width of the sensor may be less than 20% of the width of a magnetic pole of the rotor.
  • the width of the sensor can thus be less than 3mm.
  • a larger orthoradial congestion of the sensor may be preferred for a higher speed.
  • the senor delivers a simpler signal to process for a control chain described below, which is advantageous in the case of high speeds.
  • the width of the sensor may be greater than 20% of the width of a magnetic pole of the rotor.
  • the face of the support facing the rotor may comprise a notch, so as to define two pads along the support.
  • the studs make it possible to create at their summit two magnetic poles projecting from the rotor, facilitating the closing of the magnetic circuit when the rotor is in front of the sensor.
  • the pads can channel in the direction of the rotor, more precisely, a portion of the magnetic field generated by the electric circuit. In this way, the detection of the passage of a magnetic pole of the rotor near the sensor is increased.
  • the orthoradial size of the pads relative to the axis of rotation of the rotor can be chosen according to the speed of rotation of the rotor.
  • the electrical circuit may comprise a read coil wound along the support between the two pads, or a pair of coils each wrapped around a pad.
  • the front face of the support may comprise a greater number of notches, to allow to wind up several pairs of antisymmetric coils around the pads, so that the polarities of the reading coils connected in series are alternated along the sensor.
  • the invention also relates to the control chain associated with the sensor, controlling at least one power coil of the electric machine.
  • This control chain provides power to the power coil or coils, which is controlled from the rotor position measurements made by the sensor.
  • the control chain generally comprises a measuring device, a control device and a supply device associated with one or more power coils.
  • the measuring device is coupled to the sensor and makes it possible to extract a signal mainly reflecting the variation of the impedance at the terminals of the electric circuit, more precisely the variation of inductance across the reading coil or coils.
  • the controller is coupled to the meter and calculates when one or more power coils are to be powered by the feeder to provide the desired torque at the desired rate.
  • the control chain can also perform a calibration task as explained below, in order to adjust the orders of the control device.
  • each phase may be equipped with a pair of sensors. More precisely, at least one coil of each phase may be framed by two sensors arranged on each side of this coil. Thus, whatever the direction of rotation of the rotor, one of the two sensors associated with a phase can detect in advance the passage of a magnetic pole of the rotor.
  • each phase of an electric current can feed two power coils, arranged symmetrically, and a pair of sensors can be associated with the pair of coils.
  • the pair of sensors is disposed on either side of only one of the two coils.
  • Each sensor is preferably associated with a separate control chain, controlling the supply of one or more power coils with the same current phase. This assignment advantageously allows the operation of the engine in an autopilot mode.
  • autopilot means that each control chain controls the power coil (s) of the same phase independently of the other chains.
  • the invention may also include a method for calibrating the control chain that can be done either before starting or during operation of the electric machine.
  • the calibration process comprises the following steps:
  • the control device adds or subtracts a DC component to the measured signal to provide a useful signal corresponding to the reference value.
  • the calibration method can be reproduced for all the control chains associated with the electrical machine, so as to calibrate all the measurement chains in the same way.
  • FIG. 1 is a simplified diagram of a sectional view of an embodiment of an electric machine according to the invention.
  • FIG. 2 is a simplified perspective diagram of an integrable sensor in an electric machine according to the invention.
  • FIG. 3A is a simplified diagram of a sectional view of an electrical machine comprising a first type of sensor according to the invention
  • FIG. 3B is a graph showing the variation of the impedance across a sensor according to FIG. 3A as a function of the position of the rotor;
  • FIG. 4 is a simplified perspective diagram of another embodiment of an integrable sensor in an electric machine according to the invention.
  • Fig. 5 is a simplified operating diagram of a control chain controlling the power supply of a power coil pair, as a function of measurements made by a sensor according to Fig. 3A;
  • FIG. 6A is a simplified diagram of a sectional view of an electric machine comprising a second type of sensor according to the invention.
  • FIG. 6B is a graph showing the variation of the impedance across a sensor according to FIG. 6A as a function of the position of the rotor
  • Fig. 7 is a simplified operating diagram of a control chain controlling the power supply of a power coil pair, as a function of measurements made by a sensor according to Fig. 6A;
  • FIG. 8 is a simplified diagram of a sectional view of another embodiment of an electric machine according to the invention.
  • the object of the present application relates to an electrical machine incorporating a detection device or sensor, for determining in real time the position of the rotor.
  • the invention aims more particularly at providing a sensor that can be easily integrated into the machine, which is reliable and of better sensitivity.
  • a three-phase electrical machine synchronous type This type of electric machine is known from the state of the art so that it is not necessary to describe it in detail.
  • the electric machine 1 which is connected to a three-phase source, comprises a rotor 2 with protruding magnetic poles secured to a transmission shaft 3.
  • Each phase supplies a pair of power coils 4A-4A ' , 4B-4B 'and 4C-4C so as to generate a main magnetic field rotating inside the stator 5.
  • the magnetic poles of the rotor follow this main magnetic field so as to minimize the value of their gap with the power coils .
  • the electric machine is preferably described in a motor operation, it being understood that it can also be used as a generator in another embodiment.
  • the engine incorporates three detection devices or sensors 6A, 6B and 6C for precisely knowing the position of the magnetic poles 7 of the rotor relative to the power coils.
  • the sensors are placed between the power coils so as to minimize the effects of their magnetic field on the sensors.
  • the sensors are positioned equidistant from two adjacent power coils. This position thus makes it possible to limit the intermodulation effects generated by said coils in the sensors.
  • each sensor can be part of a control chain 100 controlling the supply of a pair of power coils by the same phase of a polyphase current.
  • the sensors are identical. They comprise a monoblock support 10 in compressed iron powder or ferrite. In this way, the grains isolated from the powder ensure the minimization of eddy currents flowing in the support. Another advantage related to the use of isolated grains of a composite material is to allow the molding of the support in various forms.
  • the support of the sensor is of elongate shape, and its axis AA 'of larger dimension is collinear with the axis of rotation of the machine. It comprises a notch 11 so as to delimit two identical pads on a front face 12 of the support. The pads are aligned along the axis ( ⁇ ').
  • a conductive wire 13 is wound around a first stud 14A comprising a vertex 16A, then around a second stud 14B comprising a vertex 16B, so as to form respectively a first reading coil 15A and a second reading coil 15B.
  • the reading coils have the same number of turns but the direction of winding of the wire between the two pads is reversed.
  • each reading coil generates a magnetic field, which is antisymmetric with respect to a transverse plane of the machine.
  • good results have been obtained with a one-piece support having a length (L) along the axis ( ⁇ ') of 32 mm, a width (1) along the axis ( ⁇ ') of 2, 4 mm, a thickness (H) of 0.8 mm along an axis normal to the two previous and a 0.2 mm diameter conductor wire forming 10 turns around each pad.
  • the sensors 6A, 6B and 6C are positioned between the power coils so that the front face 12 of the support 10 is opposite and as close as possible to the magnetic poles 7 of the rotor 2.
  • the sensors are also positioned in the motor. so that their largest axis is parallel to the axis of rotation of the motor.
  • the elongated shape of the sensors advantageously allows their integration more easily between the power coils, reducing their orthoradial size in the engine.
  • the sensors are held between the power coils by holding means (not shown in the figures).
  • the sensors are covered by a resin fixing the sensors against the internal face of the stator.
  • a wedge can be interposed between the sensors and the stator.
  • the holding means are composed of two rings centered on the axis. rotation of the rotor and positioned on either side of the power coils. The ends of the sensors are held by the rings. In this way, the circulation of air is favored between the power coils to allow their cooling more quickly.
  • the positioned sensors have a plane of antisymmetry coinciding with a median axial plane of the motor. In other words, the sensors break the symmetry invariance of the main magnetic field present along the motor.
  • the shape and position of the sensors advantageously make it possible to obtain more precise measurements of the position of the magnetic poles of the rotor, while minimizing the signal / noise ratio as explained below.
  • a sensor according to the invention makes it possible to determine the position of the poles 7 of the rotor 2 by measuring the variation of the impedance Z at the ends of its conducting wire 13 More specifically, an electric current flowing through the conductive wire creates two magnetic fields of opposite directions at the reading coils 15A and 15B.
  • the magnetic field formed by the two reading coils closes in the air at the vertices 16A and 16B of the sensor.
  • the impedance of this circuit is then characterized by a low value Z A.
  • the impedance variation of the sensor 6A as a function of the position of the rotor 2 is shown in FIG. 3B.
  • This signal referred to below as useful signal 9A varies between two extreme values Z A and Z B during rotation of the rotor.
  • the width of the sensors is relatively narrow with respect to the space between the power coils, in order to measure more precisely the position of the magnetic poles of the rotor relative to the sensor.
  • the reading coils 15A and 15B are also sensitive to the magnetic fields surrounding them, in particular to the broadband magnetic disturbance components generated by the supply of the power coils.
  • the measurement of the impedance is made with a carrier current of sufficiently distant frequency with respect to the frequency of the current flowing in the power coils.
  • the frequency of this carrier current can be as an example 10 times higher than the frequency power supply coils.
  • the shape of the sensors and their positioning between the power coils are therefore chosen so that their reading coils are similarly immersed in the main magnetic field from the power coils.
  • the inverted winding of the reading coils 15A and 15B advantageously makes it possible to capture this main magnetic field but in a reverse manner.
  • the disturbing influence of the main field is therefore largely neutralized in terms of induced voltage measured across the sensor 6A.
  • the impedance variation measured across the sensor is therefore minimal regarding the influence of the main magnetic field.
  • the sensor makes it possible to measure a signal that is little or not dependent on a magnetic field similarly enclosing each reading coil.
  • the conductive wire 13 forms a single read coil 15C wound along the notch 11 of the support 10 to form a sensor 46A.
  • This embodiment offers the advantage of being simpler to implement and makes it possible to obtain a reading coil 15C comprising a greater number of turns with respect to the reading coils 15A and 15B, in particular by increasing the length of the notch.
  • the positioning of the reading coil around the support makes it possible to limit the value of the electromotive force induced in the reading coil by the main magnetic field.
  • the axis of the coil 15C is substantially normal to the magnetic fields generated by the power coils. As a result, the electromotive forces induced by these fields in the coil 15C cancel out at least in part.
  • the electric circuit forms one or more read coils wound around the support 10 and positioned in a radial plane, passing through the axis of rotation of the rotor.
  • the reading coil (s) are wound around the sensor so that a current supplying the electric circuit generates a magnetic field in the reading coil (s) which is antisymmetric with respect to a plane normal to the rotation of the rotor.
  • the main magnetic field oppositely modifies the magnetic field in the reading coil (s).
  • the influence of the main magnetic field on the value of the induced voltage measured across the electrical circuit is minimized or vanishes.
  • the measured signal 19A at the ends of the lead wire 13 may nonetheless contain noise.
  • various origins latitude of symmetry of the machine, capacitive or inductive crosstalk between the electrical circuits of the sensor and the power circuits .
  • the measuring device 20A described below makes it possible to optimize the extraction of this useful signal 9A from the measured signal 19A.
  • the measuring device 20A uses a synchronous detection method via an oscillator 21.
  • the oscillator delivers across the sensor 6 A a carrier current generally much greater than the signal switching frequency applied to the coils. power, for example between 10 kHz and 300 kHz, and typically of the order of ten times the maximum frequency of the power current, generated at a switching frequency of the order of 10 kHz.
  • a relatively high resistance 22 relative to the impedance of the sensor is interposed between the sensor and the oscillator, to form a constant current source of intensity.
  • the present example and the examples below are obviously possible with a sensor shown in Figure 4, and using a voltage source in place of the current source.
  • the electrical voltage across the sensor and the reference electric voltage generated by the oscillator are applied across a multiplier 23.
  • the multiplier demodulates the signal 19A, and allows the detection of the amplitude of the voltage induced by the oscillator. sensor terminals.
  • the multiplier may include an offset input for adjusting the value of the signal it delivers to an averaging filter 24.
  • the averaging filter 24 suppresses the high frequency harmonics of the signal generated by the multiplier 23.
  • the multiplier-averaging filter assembly behaves as a selective demodulator eliminating any high frequency component other than the carrier frequency of the useful signal 9A measured. at the sensor terminals.
  • the bandwidth of the measuring device 20A is determined by the cut-off frequency of the averaging filter 24.
  • the measuring device delivers a signal 29 A of binary type similar to the useful signal 9 A, that is to say, mainly reflecting the influence of the magnetic poles 7 on the sensor 6 A.
  • the invention also relates to a control device 30A.
  • This device comprises a hysteresis comparator 31 for detecting the high and low levels of the signal 29A delivered by the averaging filter 24, and a variable frequency phase shifter 32. Optionally, it can control the offset value of the multiplier 23A. More generally, the control device designates an electronic component capable of performing calculations from stored and / or measured values.
  • the control device is according to the present example an electronic circuit microcontroller type.
  • variable-frequency phase-shifter 32 makes it possible to deliver a signal 39A that is out of phase with the signal 29A.
  • the angle of the phase shift is chosen by the control device so as to optimize the moment when the power coils 4A are energized by a supply device 40A controlled by the control device 30A.
  • the control device 30A thus optimizes the operation of the power coils 4A.
  • the assembly formed of the measuring device 20A, the control device 30A and the supply device 40A form a control chain 100.
  • This control chain allows the conversion of the signal 19A measured across the sensor 6 A, into a current Optimized 49A powering the 4A power coil pair.
  • FIG. 6A illustrates another embodiment of the invention.
  • the sensor 6 A is substituted by a sensor 56 A differing from the sensor 6A by a larger orthoradial space with respect to the axis of rotation of the rotor 2.
  • the sensor 56A has a smaller width at 20% of the width of a magnetic pole of the rotor.
  • a larger width of the sensor makes it possible to increase the time for the impedance of the sensor to vary between the two extreme values Z A and Z B. It is thus possible to overcome the variable frequency phase shifter 32 in the control device 30A. As shown in FIG.
  • the signal 39A may be out of phase with respect to the signal 29A by modifying the value of the high detection thresholds S A and the low detection threshold S B of the hysteresis comparator 31. In this way, the high value ranges S and low S D signal 39A are shifted.
  • This embodiment of the invention is more economical compared to the example mentioned above. Indeed, as shown in Figure 7, the use of a larger width sensor allows the level of the control chain associated with the sensor, no longer use phase shifter 32 in the control device 30A. This embodiment also makes it possible to control the phase shift between the signal 29A and the signal 39A for rotational speed ranges. very wide, which can be between zero and the maximum frequency of rotation of the motor. It should be noted that the values of the detection thresholds of the hysteresis comparator can be modified by an operator or by the control device 30A.
  • an electric machine 1 may comprise a power coil 4A framed by two sensors 6A and 6A '.
  • the two sensors can be coupled to the same control chain and thus allow to detect in advance the passage of the rotor on the coil whatever its direction of rotation.
  • each pair of power coil 4A-4A ', 4B-4B' and 4C-4C can be powered independently by duplicating one of the control lines 100A. described above.
  • the machine can thus operate in autopilot mode and the segregation between the pairs of power coils is reinforced, thus enabling a possibly degraded operation with one or even several inactive phases.
  • the average value and / or the amplitude of the signal delivered by the measuring devices 20A, 20B and 20C may vary for each string. These variations may be due to slight asymmetries of mounting of the sensors, tolerances of the components constituting the measuring devices, heat drifts, etc. For example, a slight tilt and / or a slight displacement of the sensor relative to the axis of rotation of the rotor can change the average value and the measured impedance amplitude. Therefore, it may be advantageous to adjust the average level and / or the amplitude of the signal delivered by each measuring device to allow the use of an identical control device for all the sensors. This makes it possible to standardize the control chains and thus reduce their cost of implementation.
  • the invention also relates to a method of calibrating the control chains 100A, 100B and 100C illustrated in FIG.
  • the control device 30A energizes the pair of power coil 4A, 4C, so that the air gap between the sensor 6 A and the rotor 2 is maximum and kept constant. In this way, the value of the signal 29A delivered by the measuring device 20A is maximum.
  • the control device 30A modifies the value of the DC component (offset) of the multiplier 23 A so that the maximum value of the signal 29 A corresponds to a reference value.
  • the first and second steps are reproduced for the measurement chains 100B and 100C.
  • the control device 30A calculates the average value of the signal 29 A generated by the measuring device 20A during a first step . In the case where this value is not equal to zero, the control device 30A modifies the DC component of the multiplier 23A to reach this value in a second step.
  • This dynamic calibration method is reproduced for each control chain associated with the machine.
  • the invention also relates to a dynamic control method of the engine speed.
  • the control device 30A compares in real time the measurements made by the measuring device to a reference value.
  • the reference value corresponds to an optimum behavior of the motor as a function of its operating speed, the reference value is derived from a calibration curve of the machine.
  • the control device modifies the value of the high detection thresholds S A and low detection S B of the hysteresis comparator 31 in order to phase out the signal 29 A until both values are identical.
  • the dynamic control method of the engine speed is performed at each control chain associated with the engine.
  • the invention allows the production of electrical machines incorporating one or more sensors detecting the position of the magnetic poles of their rotor.
  • the use of a physical sensor provides better reliability compared to a calculation modeling the position of the rotor.
  • the use of a sensor to control the supply of one or more power coils via the same phase of a current enables optimum operation of the electric machine in the autopilot mode, according to a motor or generator mode.
  • the segregation between the sensors makes it possible to limit the risk of machine failure in motor mode. Indeed, a fault of a sensor will not cause a power failure of all the power coils.
  • the other control chains can then adjust the power supply of their associated coils to compensate for the sensor failure and allow normal or near normal operation of the motor.
  • the present application thus proposes a safer and more flexible electric machine of use.

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Abstract

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

Description

MACHINE ELECTRIQUE COMPRENANT AU MOINS UN CAPTEUR INTEGRE POUR LA DETECTION DE LA POSITION DES POLES MAGNETIQUES DE SON ROTOR
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine technique des machines électriques dont le rotor présente des accidents de perméabilité sur sa circonférence. Il peut s'agir de machines à pôles magnétiques saillants, et en particulier les machines à reluctance variable pour lesquelles l'invention sera décrite plus en détail. Il peut toutefois également s'agir de machines dont le rotor est à pôles lisses, et qui comportent des encoches dans son circuit magnétique, formant des zones de variation brusque de la perméabilité magnétique. Plus précisément, l'invention porte sur les machines électriques comprenant au moins un capteur intégré permettant de déterminer la position angulaire du rotor.
L'invention porte également sur une chaîne de commande permettant le fonctionnement de la machine en mode autopiloté, en mode moteur et/ou en mode générateur, à partir des mesures réalisées par un ou plusieurs capteurs intégrés.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
De façon générale, dans les moteurs électriques à pôles saillants, l'alimentation des bobines de puissance présentes dans le stator doit être synchronisée en fonction de la position des pôles magnétiques du rotor pour permettre un bon fonctionnement du moteur. C'est pourquoi il est nécessaire de connaître à tout moment la position précise des pôles magnétiques du rotor par rapport aux bobines de puissance pour commander correctement leur alimentation.
Cette information peut être calculée en temps réel à l'aide de modèles estimateurs. Lorsque le calcul en temps réel s'avère trop complexe, du fait par exemple de conditions d'exploitation sévères (fort couple au démarrage, fonctionnement en régime saturé), l'utilisation de tels modèles ne permet pas d'obtenir une précision suffisante pour permettre le bon fonctionnement du moteur. Le recours à un dispositif de détection s'impose alors pour des raisons de fiabilité et de sécurité. Les dispositifs de détection connus diffèrent en fonction du régime d'alimentation des bobines de puissance. Lorsque les bobines de puissance sont alimentées en régime sinusoïdal et produisent un champ tournant autour du rotor, des dispositifs de détection de résolution élevée de type synchro/résolveur sont employés. Un exemple est donné dans le document US2006/0197393. Plus précisément, le moteur décrit dans ce document présente un champ axial généré par un aimant permanent présent dans le rotor. Ce champ se referme par deux pièces polaires dentées, et décalées radialement d'une demi-dent. Le champ se referme par les pôles statoriques et le châssis du moteur. Des bobinages sensibles sont positionnés sur le stator, et sont couplés avec les bobinages de puissance selon un coefficient de couplage fonction de la position du rotor, formant ainsi un transformateur différentiel variable linéaire, également connu sous l'abréviation LVDT pour « Linear Variable Differential Transformer ». La mesure de la tension aux bornes des bobinages sensibles, à la fréquence du courant parcourant les bobinages statoriques, donne une image de la position du rotor.
Lorsque le moteur électrique utilise un champ tournant commuté, généré par une alimentation séquentielle des bobines de puissance, des dispositifs de détection à faible résolution de type sonde à effet Hall sont préférés. Par exemple, lorsque le rotor possède une polarisation magnétique permanente ou bien s'il présente une saillance magnétique (pôles saillants, rotor encoché), la position du rotor peut être connue par l'intermédiaire d'un dispositif mesurant la variation d'impédance aux bornes des bobines de puissance à partir d'un courant porteur. La position du rotor peut également être déterminée en mesurant la variation d'impédance aux bornes de bobines de lecture complémentaires, chaque bobine de lecture étant enroulée autour d'une bobine de puissance.
Ces dispositifs de détection sont relativement coûteux et compliqués à mettre en œuvre. De plus, ils sont d'efficacité et de précision limitées. En effet, les bobines de puissance créent des champs magnétiques à haute fréquence (sous l'effet du contrôle par modulation de largeur d'impulsion ou par hystérésis) qui noient le signal utile mesuré par le dispositif de détection dans un bruit dont il est difficile voire impossible de s'affranchir. Par exemple, dans le cas des moteurs à réluctance variable, l'impédance de la bobine de lecture est non seulement modulée principalement par la position du rotor mais également en partie par l'intensité du courant qui circule dans la bobine de puissance selon une relation non-linéaire. Dans ce cas, la discrimination des deux sources de modulation de l'impédance est impossible, du fait du bruit électromagnétique élevé qui caractérise l'entrefer d'une machine électrique à commutation électronique.
Pour obtenir des mesures plus précises, il est alors nécessaire de placer le dispositif de détection hors de l'influence des champs magnétiques régnant dans le moteur, c'est-à- dire en pratique à l'extérieur du moteur électrique en le fixant au bout de son arbre. Cette solution présente les inconvénients d'augmenter l'encombrement et la masse du moteur ainsi que de complexifïer sa connectique. La présente invention vise notamment à résoudre les problèmes techniques mentionnés ci-dessus et plus particulièrement à proposer un dispositif permettant de détecter la position d'un rotor d'une machine électrique intégré dans la machine, simple à mettre en œuvre, fiable et de meilleure sensibilité. EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus, en proposant une machine électrique intégrant au moins un capteur permettant de détecter des accidents de perméabilité magnétique à la surface de son rotor. Plus précisément, le capteur est intégré dans la machine afin de réduire son impact dimensionnel et permettre une détection plus précise de variations relativement brusques de perméabilité, tout en bénéficiant de la sécurité apportée par l'utilisation d'un capteur physique. L'invention a ainsi pour objet une machine électrique comportant un rotor de section sensiblement constante incluant à sa surface au moins deux zones de perméabilités magnétiques distinctes, et un stator incluant au moins deux bobines de puissance aptes à générer un champ magnétique principal radial, distribué symétriquement par raport au plan radial médian de la machine. En d'autres termes, sur une génératrice donnée du rotor, le champ magnétique présent dans le moteur est de même intensité et de même sens de part et d'autre d'un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation de la machine. La machine comporte également au moins un capteur générant un signal représentatif de la position angulaire du rotor par rapport au stator. L'invention se caractérise en ce que le capteur est solidaire de la face interne du stator, en regard du rotor, et qu'il comporte :
- un support à base d'un matériau ferromagnétique de forme allongée, l'axe de plus grande dimension du support étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rotor ; - un circuit électrique formant au moins une bobine de lecture enroulée autour du support.
Complémentairement, la machine comporte un dispositif de mesure de l'impédance de ce circuit électrique, à une fréquence différente de celle du courant d'alimentation des bobines de puissance.
En d'autres termes, l'invention consiste à intégrer dans le moteur un circuit magnétique dédié, dont l'impédance dans une bande de fréquence éloignée du spectre de fréquence du champ principal, varie en fonction de la position du rotor. Plus précisément, l'impédance du circuit magnétique varie en fonction de l'entrefer entre le capteur et le rotor.
On notera que le champ magnétique principal généré par les bobines de puissance dans la machine, est symétrique par rapport au plan radial médian, et préférentiellement sensiblement invariant par translation le long de l'axe de rotation du rotor. Ainsi, afin de minimiser l'influence de ce champ magnétique sur les mesures d'impédance réalisées aux bornes du circuit électrique du capteur, l'axe de plus grande dimension du support du capteur est parallèle ou sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rotor, de sorte que le champ magnétique principal est homogène le long du capteur. Pour compenser les éventuelles composantes axiales symétriques de ce champ principal, on préférera que le centre du capteur soit centré axialement au milieu de la machine électrique. A l'inverse, le capteur est bobiné de telle sorte que le champ magnétique de mesure qu'il génère lorsqu'il est parcouru par le courant de mesure présente un plan d' antisymétrie, qui passe par le centre du capteur, de sorte que les champs de puissance et de mesure sont découplés.
Le circuit électrique du capteur forme au moins une bobine de lecture enroulée autour du support, de sorte que l'axe de la ou des bobines de lecture est compris dans un plan radial, c'est-à-dire passant par l'axe de rotation du rotor. L'axe d'une bobine est défini comme étant l'axe passant par le centre des spires constituant la bobine. Grâce à cette orientation, la ou les bobines de lecture sont traversées par un champ magnétique principal qui est quasi uniforme, et en tout cas symétrique, pour une position donnée du rotor.
En pratique, le capteur comporte une ou plusieurs bobines de lecture positionnées de sorte qu'un courant alimentant le circuit électrique du capteur génère un champ magnétique dans la ou les bobines de lecture qui est antisymétrique par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor. Pour s'affranchir autant que possible de l'influence du champ principal, la mesure de l'impédance du capteur se fait à une fréquence éloignée du spectre de fréquence du courant parcourant les bobines de puissance, par exemple au-delà du dixième harmonique, ou largement au -delà de la fréquence de découpage pour des alimentations commutées. Ainsi, le champ magnétique principal agit de façon symétrique sur les deux bobines de lecture, en induisant des forces électromotrices opposées sur les portions du circuit électrique situées de part et d'autre du plan de symétrie du capteur. De ce fait, l'influence du champ magnétique principal sur la valeur de la tension induite mesurée aux bornes du circuit électrique est minime voire nulle.
Ainsi, les bobines du capteur sont enroulées selon une configuration symétrique géométriquement par rapport au plan médian du capteur. En effet, lorsque le circuit électrique du capteur comporte une (ou plusieurs) bobines enroulées parallèlement à l'axe de rotation, les surfaces des spires sont parallèles au champ magnétique principal. Par conséquent, les forces électromotrices induites par le champ magnétique principal sont nulles en quasi-totalité ou totalement. De cette façon, le circuit électrique peut comprendre une ou plusieurs bobines de lecture enroulées sur une partie ou tout le long du support, générant peu ou pas de courants induits dus au champ magnétique principal.
A l'inverse, lorsque les bobines du circuit électrique ne sont pas enroulées parallèlement à l'axe de rotation, la surface des spires de ces bobines n'est pas perpendiculaire à l'axe de plus grande dimension du support, et le champ magnétique principal génère dans ladite spire une force électromotrice non négligeable. Afin de minimiser la valeur de cette force électromotrice, une deuxième bobine de lecture est enroulée autour du support et connectée à la première bobine. La deuxième bobine est connectée et bobinée de manière symétrique par rapport à la première bobine, selon un plan normal à l'axe de rotation du rotor. De cette façon, comme mentionné ci-dessus, la valeur de la tension induite par le champ magnétique principal dans la seconde bobine est identique en intensité, mais en sens opposé, de sorte que la force électromotrice globale générée aux bornes du circuit électrique du capteur est minimisée ou nulle.
Autrement dit, la première et la seconde bobine de lecture comportent le même nombre de spires mais sont bobinées en sens inverse ou plus généralement leurs sens d'enroulement sont symétriques par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor et elles sont connectées de sorte qu'un courant parcourant le circuit électrique circule en sens inverse dans les deux bobines de lecture. En d'autres termes, le circuit électrique comporte une première bobine de lecture enroulée autour d'un premier plot du support, et une seconde bobine enroulée autour d'un second plot, de sorte que ces bobines génèrent un champ magnétique antisymétrique par rapport à un plan transversal à l'axe de rotation du rotor, lorsque le circuit électrique est alimenté en courant. De la sorte, les effets générés par le champ principal sur la globalité du circuit électrique du capteur sont minimes ou nuls. Le principe décrit avec une paire de plots et de bobines peut se décliner avec plusieurs paires de bobines de lecture tel que décrit ci-dessus, enroulées autour d'autant de plots appartenant au support, les plots étant disposés dans un plan radial à l'axe de rotation du rotor, en respectant la symétrie des sources qui engendre une antisymétrie du champ magnétique.
En pratique, le capteur est positionné en regard du rotor. Il peut par exemple être fixé dans un évidement formé dans un pôle statorique, en regard du rotor, ou bien entre deux bobines de puissance. La forme allongée du capteur permet une intégration plus aisée de celui-ci entre les bobines de puissance. Le capteur est de préférence positionné à égale distance de deux bobines de puissance adjacentes, afin de minimiser l'influence du champ magnétique principal sur le circuit électrique du capteur. Le capteur est de préférence placé le plus près possible des pôles magnétiques du rotor de sorte que l'entrefer soit minimum entre le capteur et le rotor, pour permettre une variation de l'impédance la plus grande possible aux bornes du circuit électrique lors du fonctionnement de la machine. Par exemple, la valeur de cet entrefer peut être comprise entre 0 , 1 mm et quelques centimètres, en fonction de la taille globale de la machine. Le capteur peut être agencé sur une cale présente dans le stator, afin de régler de façon optimale la valeur de l'entrefer. La machine peut comprendre plusieurs capteurs maintenus dans la machine par l'intermédiaire de deux anneaux centrés sur l'axe de rotation du rotor, placés de part et autre des bobines de puissance. Chaque anneau maintient une extrémité des capteurs. Ces moyens de maintien permettent de positionner plus rapidement et de façon plus précise les capteurs dans la machine, tout en permettant une meilleure circulation de l'air autour des bobines de puissance pour les refroidir.
Pour éviter un échauffement trop important du capteur lors du fonctionnement de la machine, le support peut être réalisé sous la forme d'un bloc monolithique en poudre de fer ou de ferrite compressée, pour minimiser les courants de Foucault susceptibles d'être générés dans le support. Le support est donc de préférence composé d'un matériau magnétique possédant une bonne perméabilité à haute fréquence, tout en minimisant ses pertes. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'encombrement orthoradial du support, ou autrement dit la largeur du capteur mesurée circonférentiellement, peut être choisi en fonction du régime de la machine. Plus précisément, on pourra tirer certains avantages d'un encombrement du capteur plus important lorsque la vitesse de rotation nominale du rotor est élevée.
Pour des vitesses de rotation relativement faibles, on peut donc privilégier une largeur du capteur qui soit relativement réduite par rapport à la largeur d'un pôle magnétique du rotor. Un capteur d'encombrement plus petit permet de détecter de manière franche le passage d'un pôle du rotor à l'endroit du capteur, avec une forte rampe de variation de l'impédance mesurée. Par exemple, pour une vitesse de rotation du rotor comprise entre 3000 et 5000 tours par minute, la largeur du capteur peut être inférieure à 20% de la largeur d'un pôle magnétique du rotor. La largeur du capteur peut ainsi être inférieure à 3mm. A l'inverse, un encombrement orthoradial plus important du capteur peut être privilégié pour un régime plus élevé. Un capteur plus large permet d'anticiper plus facilement le passage d'un pôle magnétique du rotor et de générer un signal de détection dont la variation d'amplitude est plus lente. Ainsi, le capteur délivre un signal plus simple à traiter pour une chaîne de commande décrite ci-dessous, ce qui est avantageux dans le cas des régimes élevés. Par exemple, pour une vitesse de rotation du rotor de l'ordre de 50 000 tours par minute, la largeur du capteur peut être supérieure à 20 % de la largeur d'un pôle magnétique du rotor. Selon une autre caractéristique de l'invention, la face du support en regard du rotor peut comporter une échancrure, de manière à délimiter deux plots le long du support. Les plots permettent de créer à leur sommet deux pôles magnétiques saillants en vis-à- vis du rotor, facilitant la fermeture du circuit magnétique lorsque le rotor se trouve en face du capteur. En d'autres termes, les plots permettent de canaliser en direction du rotor, de façon plus précise, une partie du champ magnétique généré par le circuit électrique. De cette manière, la détection du passage d'un pôle magnétique du rotor à proximité du capteur est accrue. Bien entendu, de même que pour le support, l'encombrement orthoradial des plots par rapport à l'axe de rotation du rotor peut être choisi en fonction de la vitesse de rotation du rotor.
Selon différentes variantes, le circuit électrique peut comprendre une bobine de lecture enroulée le long du support entre les deux plots, ou une paire de bobines enroulées chacune autour d'un plot. Eventuellement, la face avant du support peut comporter un nombre supérieur d'échancrures, pour permettre d'enrouler plusieurs paires de bobines antisymétriques autour des plots, de sorte que les polarités des bobines de lecture connectées en série soient alternées le long du capteur.
En pratique, on a obtenu de bons résultats de détection, avec des bobines de lecture comportant un nombre de spires compris entre 10 et 100.
L'invention concerne également la chaîne de commande associée au capteur, commandant au moins une bobine de puissance de la machine électrique. Cette chaîne de commande assure l'alimentation électrique de la ou des bobines de puissance, qui est donc pilotée à partir des mesures de position du rotor réalisées par le capteur.
La chaîne de commande comprend de façon globale un dispositif de mesure, un dispositif de contrôle et un dispositif d'alimentation associé à une ou plusieurs bobines de puissance.
Le dispositif de mesure est couplé au capteur et permet d'extraire un signal reflétant principalement la variation de l'impédance aux bornes du circuit électrique, plus précisément la variation d'inductance aux bornes de la ou des bobines de lecture. Le dispositif de contrôle est couplé au dispositif de mesure et permet de calculer les moments où une ou plusieurs bobines de puissance doivent être alimentées par le dispositif d'alimentation, pour produire le couple souhaité, à la vitesse voulue. En pratique, la chaîne de commande peut également effectuer une tâche de calibration comme expliqué ci-dessous, afin d'ajuster les ordres du dispositif de contrôle.
Dans une première version simplifiée, on peut choisir un nombre de capteurs identique au nombre de phases du moteur.
Selon une variante de réalisation plus perfectionnée, chaque phase peut être équipée d'une paire de capteurs. Plus précisément, au moins une bobine de chaque phase peut être encadrée par deux capteurs disposés de chaque côté de cette bobine. Ainsi, quel que soit le sens de rotation du rotor, un des deux capteurs associés à une phase peut détecter en avance le passage d'un pôle magnétique du rotor.
En pratique, chaque phase d'un courant électrique peut alimenter deux bobines de puissance, disposées symétriquement, et une paire de capteurs peut être associée à la paire de bobines. De préférence, afin d'optimiser l'encombrement des capteurs dans la machine, la paire de capteurs est disposée de part et d'autre d'une seule des deux bobines. Bien entendu, le même principe peut se décliner lorsque chaque phase comporte plus de deux bobines réparties équi-angulairement. Chaque capteur est de préférence associé à une chaîne de commande distincte, contrôlant l'alimentation d'une ou plusieurs bobines de puissance par une même phase de courant. Cette affectation permet avantageusement le fonctionnement du moteur dans un mode autopiloté. Par le terme « autopiloté », on entend que chaque chaîne de commande contrôle la ou les bobines de puissance d'une même phase indépendamment des autres chaînes.
L'invention peut également inclure un procédé de calibration de la chaîne de commande qui peut se faire soit avant le démarrage, soit pendant le fonctionnement de la machine électrique. Dans les deux cas, le procédé de calibration comprend les étapes suivantes :
a) comparaison par le dispositif de contrôle de la valeur du signal délivré par le dispositif de mesure par rapport à une valeur de référence ;
b) dans le cas où ces valeurs ne sont pas identiques, le dispositif de contrôle ajoute ou soustrait une composante continue au signal mesuré pour délivrer un signal utile correspondant à la valeur de référence. Le procédé de calibration peut être reproduit pour toutes les chaînes de commande associées à la machine électrique, de manière à calibrer de la même façon l'ensemble des chaînes de mesure. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une machine électrique selon l'invention ;
- la figure 2 est un schéma simplifié en perspective d'un capteur intégrable dans une machine électrique selon l'invention ;
- la figure 3 A est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'une machine électrique comprenant un premier type de capteur selon l'invention ;
la figure 3B est un graphique représentant la variation de l'impédance aux bornes d'un capteur selon la figure 3A en fonction de la position du rotor ;
- la figure 4 est un schéma simplifié en perspective d'un autre mode de réalisation d'un capteur intégrable dans une machine électrique selon l'invention ;
la figure 5 est un diagramme de fonctionnement simplifié d'une chaîne de commande contrôlant l'alimentation d'une paire de bobine de puissance, en fonction des mesures réalisées par un capteur selon la figure 3 A ;
- la figure 6A est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'une machine électrique comprenant un deuxième type de capteur selon l'invention ;
la figure 6B est un graphique représentant la variation de l'impédance aux bornes d'un capteur selon la figure 6A en fonction de la position du rotor ; la figure 7 est un diagramme de fonctionnement simplifié d'une chaîne de commande contrôlant l'alimentation d'une paire de bobine de puissance, en fonction des mesures réalisées par un capteur selon la figure 6A ;
- la figure 8 est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une machine électrique selon l'invention. EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'objet de la présente demande concerne une machine électrique intégrant un dispositif de détection ou capteur, permettant de déterminer en temps réel la position du rotor. L'invention vise plus particulièrement à proposer un capteur facilement intégrable dans la machine, fiable et de meilleure sensibilité. Sans restreindre l'objet de l'invention, plusieurs exemples de réalisation sont décrits ci-après en considérant le cas d'une machine électrique triphasé de type synchrone. Ce type de machine électrique est connu de l'état de la technique de sorte qu'il n'est pas nécessaire de la décrire en détails. Dans la configuration illustrée à la figure 1, la machine électrique 1 qui est reliée à une source triphasée, comporte un rotor 2 à pôles magnétiques saillants solidarisé à un arbre de transmission 3. Chaque phase alimente une paire de bobines de puissance 4A- 4A', 4B-4B' et 4C-4C de manière à générer un champ magnétique principal tournant à l'intérieur du stator 5. Les pôles magnétiques du rotor suivent ce champ magnétique principal de manière à minimiser la valeur de leur entrefer avec les bobines de puissance.
Dans la suite de la description, la machine électrique est préférentiellement décrite dans un fonctionnement moteur, étant entendu qu'elle peut également être utilisée en générateur dans un autre mode de réalisation.
Selon un exemple de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le moteur intègre trois dispositifs de détection ou capteurs 6A, 6B et 6C permettant de connaître précisément la position des pôles magnétiques 7 du rotor par rapport aux bobines de puissance. Les capteurs sont placés entre les bobines de puissance de manière à minimiser les effets de leur champ magnétique sur les capteurs. De préférence, les capteurs sont donc positionnés à égale distance de deux bobines de puissance adjacentes. Cette position permet ainsi de limiter les effets d'intermodulation générés par lesdites bobines dans les capteurs.
Les capteurs 6A, 6B et 6C sont indépendants entre eux et permettent la détection de la position des pôles magnétiques 7 du rotor par rapport à la paire de bobines de puissance à laquelle ils sont associés. Ainsi, comme expliqué ci-dessous, chaque capteur peut faire partie d'une chaîne de commande 100 contrôlant l'alimentation d'une paire de bobines de puissance par une même phase d'un courant polyphasé. Dans un souci d'homogénéité, les capteurs sont identiques. Ils comprennent un support 10 monobloc en poudre de fer compressé ou de ferrite. De la sorte, les grains isolés de la poudre assurent la minimisation de courants de Foucault circulant dans le support. Un autre avantage lié à l'utilisation de grains isolés d'un matériau composite est de permettre le moulage du support selon des formes variées.
Selon un premier exemple de réalisation illustré à la figure 2, le support du capteur est de forme allongée, et son axe AA' de plus grande dimension est colinéaire à l'axe de rotation de la machine. Il comporte une échancrure 11 de manière à délimiter deux plots identiques sur une face avant 12 du support. Les plots sont alignés selon l'axe (ΑΑ'). Un fil conducteur 13 est enroulé autour d'un premier plot 14A comprenant un sommet 16A, puis autour d'un second plot 14B comprenant un sommet 16B, de sorte à former respectivement une première bobine de lecture 15A et une seconde bobine de lecture 15B. Les bobines de lecture comportent le même nombre de spires mais le sens d'enroulement du fil entre les deux plots est inversé. Ainsi, chaque bobine de lecture génère un champ magnétique, qui est antisymétrique par rapport à un plan transverse de la machine. A titre d'exemple, on a obtenu de bons résultats avec un support monobloc ayant une longueur (L) selon l'axe (ΑΑ') de 32 mm, une largeur (1) selon l'axe (ΒΒ') de 2,4 mm, une épaisseur (H) de 0,8 mm selon un axe normal aux deux précédents et un fil conducteur de diamètre de 0,2 mm formant 10 spires autour de chaque plot.
Les capteurs 6A, 6B et 6C sont positionnés entre les bobines de puissance de sorte que la face avant 12 du support 10 se trouve en regard et le plus proche possible des pôles magnétiques 7 du rotor 2. Les capteurs sont également positionnés dans le moteur de sorte que leur plus grand axe soit parallèle à l'axe de rotation du moteur. La forme allongée des capteurs permet avantageusement leur intégration de façon plus aisée entre les bobines de puissance, en réduisant leur encombrement orthoradial dans le moteur.
Les capteurs sont maintenus entre les bobines de puissance par des moyens de maintien (non représentés sur les figures). Les capteurs sont recouverts par une résine fixant les capteurs contre la face interne du stator. Afin d'optimiser l'entrefer entre le sommet des plots des capteurs et les pôles saillants du rotor, une cale peut être interposée entre les capteurs et le stator. Selon un mode de réalisation préféré permettant un meilleur refroidissement des bobines de puissance par convection thermique, les moyens de maintien sont composés de deux anneaux centrés sur l'axe de rotation du rotor et positionnés de part et d'autre des bobines de puissance. Les extrémités des capteurs sont maintenues par les anneaux. De cette façon, la circulation de l'air est favorisée entre les bobines de puissance pour permettre leur refroidissement plus rapidement.
Les capteurs positionnés présentent un plan d' antisymétrie coïncidant avec un plan axial médian du moteur. Autrement dit, les capteurs rompent l'invariance de symétrie du champ magnétique principal présent le long du moteur. La forme et la position des capteurs permettent avantageusement d'obtenir des mesures plus précises de la position des pôles magnétiques du rotor, en minimisant le rapport signal/bruit comme expliqué ci-après.
En relation avec les figures 3 A et 3B, un capteur selon l'invention, par exemple le capteur 6A, permet de déterminer la position des pôles 7 du rotor 2 en mesurant la variation de l'impédance Z aux extrémités de son fil conducteur 13. Plus précisément, un courant électrique parcourant le fil conducteur crée deux champs magnétiques de sens inverses au niveau des bobines de lecture 15A et 15B. Lorsqu'aucun pôle 7 du rotor n'est en face du capteur 6A (par exemple pour a = 0), le champ magnétique formé par les deux bobines de lecture se referme dans l'air au niveau des sommets 16A et 16B du capteur. L'impédance de ce circuit se caractérise alors par une valeur basse ZA. A l'inverse, le circuit magnétique se caractérise par une impédance de valeur haute ZB, lorsqu'il est quasi-fermé par un pôle magnétique 7 du rotor (par exemple pour a = π/4). La variation d'impédance du capteur 6A en fonction de la position du rotor 2 est représentée sur la figure 3B. Ce signal dénommé ci-dessous signal utile 9A varie entre deux valeurs extrêmes ZA et ZB lors de la rotation du rotor.
Dans cet exemple, la largeur des capteurs est relativement étroite par rapport à l'espace entre les bobines de puissance, afin de mesurer plus précisément la position des pôles magnétiques du rotor par rapport au capteur.
On conçoit que les bobines de lecture 15A et 15B sont également sensibles aux champs magnétiques les entourant, notamment aux composantes perturbatrices magnétiques à large bande générées par l'alimentation des bobines de puissance. Pour renforcer le découplage vis-à-vis de ces champs magnétiques internes, la mesure de l'impédance est faite avec un courant porteur de fréquence suffisamment éloignée par rapport à la fréquence du courant circulant dans les bobines de puissance. La fréquence de ce courant porteur peut être à titre d'exemple 10 fois supérieure à la fréquence d'alimentation des bobines de puissance. La forme des capteurs et leur positionnement entre les bobines de puissance sont donc choisis de sorte que leurs bobines de lecture baignent de façon similaire dans le champ magnétique principal provenant des bobines de puissance. Le bobinage inversé des bobines de lecture 15A et 15B permet de façon avantageuse de capter ce champ magnétique principal mais de façon inverse. L'influence perturbatrice du champ principal est donc en grande partie neutralisée en termes de tension induite mesurée aux bornes du capteur 6A. La variation d'impédance mesurée aux bornes du capteur est donc minime concernant l'influence du champ magnétique principal. Ainsi, le capteur permet de mesurer un signal qui est peu ou pas dépendant d'un champ magnétique englobant de façon similaire chaque bobine de lecture.
Selon un deuxième exemple de réalisation des capteurs, illustré à la figure 4, le fil conducteur 13 forme une seule bobine de lectures 15C enroulée le long de Péchancrure 11 du support 10 pour former un capteur 46A. Ce mode de réalisation offre l'avantage d'être plus simple à mettre en œuvre et permet l'obtention d'une bobine de lecture 15C comprenant un nombre de spires plus important par rapport aux bobines de lecture 15A et 15B, notamment en augmentant la longueur de l'échancrure. De même que pour l'exemple ci-dessus, le positionnement de la bobine de lecture autour du support permet de limiter la valeur de la force électromotrice induite dans la bobine de lecture par le champ magnétique principal. En effet, l'axe de la bobine 15C est sensiblement normal aux champs magnétiques générés par les bobines de puissance. De ce fait, les forces électromotrices induites par ces champs dans la bobine 15C s'annulent au moins en partie.
Bien entendu, différentes variantes de géométrie peuvent être envisagées pour les capteurs dès lors que ces variantes répondent au principe de l'invention, selon lequel le circuit électrique forme une ou plusieurs bobines de lecture enroulées autour du support 10 et positionnées dans un plan radial, passant par l'axe de rotation du rotor. Plus précisément, la ou les bobines de lectures sont enroulées autour du capteur de sorte qu'un courant alimentant le circuit électrique, génère un champ magnétique dans la ou les bobines de lecture qui est antisymétrique par rapport à un plan normal à l'axe de rotation du rotor. Ainsi, le champ magnétique principal modifie de façon opposée le champ magnétique dans la ou les bobines de lecture. De ce fait, l'influence du champ magnétique principal sur la valeur de la tension induite mesurée aux bornes du circuit électrique est minimisée ou s'annule. Si les effets des composantes perturbatrices des champs magnétiques créés par les bobines de puissance sont en grande partie neutralisés grâce à la topologie et le positionnement du capteur dans le moteur, le signal mesuré 19A aux extrémités du fil conducteur 13 peut néanmoins comporter des bruits d'origines divers (défaut de symétrie de la machine, diaphonie capacitive ou inductive entre les circuits électriques du capteur et les circuits de puissance...). Plusieurs signaux se superposent alors et peuvent brouiller le signal utile 9A.
Tel qu'illustré en figure 5, le dispositif de mesure 20A décrit ci-dessous permet d'optimiser l'extraction de ce signal utile 9A du signal mesuré 19A. Le dispositif de mesure 20A exploite un procédé de détection synchrone par l'intermédiaire d'un oscillateur 21. L'oscillateur délivre aux bornes du capteur 6 A un courant porteur de façon générale bien supérieure à la fréquence de découpage du signal appliqué aux bobines de puissance, compris par exemple entre 10 kHz et 300kHz, et typiquement de l'ordre de dix fois la fréquence maximale du courant de puissance, généré à une fréquence de découpage de l'ordre de 10kHz. Une résistance 22 relativement élevée par rapport à l'impédance du capteur est interposée entre le capteur et l'oscillateur, afin de former une source de courant d'intensité quasi- constante. Le présent exemple et les exemples ci-dessous sont bien évidement réalisables avec un capteur illustré à la figure 4, et en utilisant une source de tension à la place de la source de courant.
La tension électrique aux bornes du capteur et la tension électrique de référence générée par l'oscillateur sont appliquées aux bornes d'un multiplieur 23. Le multiplieur assure la démodulation du signal 19A, et permet la détection de l'amplitude de la tension induite aux bornes du capteur. Le multiplieur peut comporter une entrée offset permettant d'ajuster la valeur du signal qu'il délivre à un filtre moyenneur 24.
Le filtre moyenneur 24 supprime les harmoniques à haute fréquence du signal généré par le multiplieur 23. Autrement dit, l'ensemble multiplieur - filtre moyenneur se comporte comme un démodulateur sélectif éliminant toute composante à haute fréquence autre que la fréquence porteuse du signal utile 9A mesuré aux bornes du capteur. La bande passante du dispositif de mesure 20A est déterminée par la fréquence de coupure du filtre moyenneur 24. Le dispositif de mesure délivre un signal 29 A de type binaire similaire au signal utile 9 A, c'est-à-dire, reflétant principalement l'influence des pôles magnétiques 7 sur le capteur 6 A. L'invention concerne également un dispositif de contrôle 30A. Ce dispositif comprend un comparateur à hystérésis 31 permettant de détecter les niveaux haut et bas du signal 29A délivré par le filtre moyenneur 24, et un déphaseur à fréquence variable 32. Eventuellement, il peut commander la valeur de l'offset du multiplieur 23A. Plus généralement, le dispositif de contrôle désigne un composant électronique apte à réaliser des calculs à partir de valeurs mémorisées et/ou mesurées. Le dispositif de contrôle est selon le présent exemple un circuit électronique de type microcontrôleur.
Le déphaseur à fréquence variable 32 permet de délivrer un signal 39A déphasé par rapport au signal 29A. L'angle du déphasage est choisi par le dispositif de contrôle de sorte à optimiser le moment où les bobines de puissance 4A sont mises sous tension par un dispositif d'alimentation 40A commandé par le dispositif de contrôle 30A. Le dispositif de contrôle 30A permet ainsi d'optimiser le fonctionnement des bobines de puissance 4A.
L'ensemble formé du dispositif de mesure 20A, du dispositif de contrôle 30A et du dispositif d'alimentation 40A forment une chaîne de commande 100. Cette chaîne de commande permet la conversion du signal 19A mesuré aux bornes du capteur 6 A, en un courant optimisé 49A alimentant la paire de bobine de puissance 4A.
A présent la figure 6A illustre un autre mode de réalisation de l'invention. A la différence de l'exemple précédent, le capteur 6 A est substitué par un capteur 56 A se différenciant du capteur 6A par un encombrement orthoradial plus important par rapport à l'axe de rotation du rotor 2. Le capteur 56A a une largeur inférieure à 20% de la largeur d'un pôle magnétique du rotor. Tel qu'illustré à la figure 6B, une largeur plus importante du capteur permet d'augmenter le temps pour que l'impédance du capteur varie entre les deux valeurs extrêmes ZA et ZB. Il est ainsi possible de s'affranchir du déphaseur à fréquence variable 32 dans le dispositif de contrôle 30A. Comme représenté en figure 6B, le signal 39A peut être déphasé par rapport au signal 29A en modifiant la valeur des seuils de détection haut SA et de détection bas SB du comparateur à hystérésis 31. De cette façon, les plages de valeurs hautes Se et basses SD du signal 39A sont décalées. Ce mode de réalisation de l'invention est plus économique par rapport à l'exemple mentionné ci-dessus. En effet, comme illustré à la figure 7, l'utilisation d'un capteur de largeur plus importante permet au niveau de la chaîne de commande associée au capteur, de ne plus utiliser de déphaseur 32 dans le dispositif de contrôle 30A. Ce mode de réalisation permet également de contrôler le déphasage entre le signal 29A et le signal 39A pour des plages de vitesse de rotation très larges, pouvant être comprises entre zéro et la fréquence maximale de rotation du moteur. Il est à noter que les valeurs des seuils de détection du comparateur à hystérésis peuvent être modifiées par un opérateur ou bien par le dispositif de contrôle 30A.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 8, une machine électrique 1 peut comporter une bobine de puissance 4A encadrée par deux capteurs 6A et 6A'. Les deux capteurs peuvent être couplés à une même chaîne de commande et ainsi permettre de détecter en avance le passage du rotor sur la bobine quel que soit son sens de rotation.
Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, chaque paire de bobine de puissance 4A-4A', 4B-4B' et 4C-4C peut être alimentée de façon autonome en dupliquant l'une des chaînes de commande 100A décrites ci-dessus. La machine peut ainsi fonctionner en mode autopiloté et la ségrégation entre les paires de bobines de puissance est renforcée, permettant ainsi d'avoir un fonctionnement éventuellement dégradé avec une voire plusieurs phases inactives.
Lors du fonctionnement du moteur, la valeur moyenne et/ou l'amplitude du signal délivré par les dispositifs de mesure 20A, 20B et 20C peut varier pour chaque chaîne. Ces variations peuvent être dues à de légères dissymétries de montage des capteurs, des tolérances des composants constituant les dispositifs de mesure, des dérives thermiques, etc. Par exemple, une légère inclinaison et/ou un léger déplacement du capteur par rapport à l'axe de rotation du rotor peut modifier la valeur moyenne et l'amplitude d'impédance mesurée. De ce fait, il peut être avantageux de régler le niveau moyen et/ou l'amplitude du signal délivré par chaque dispositif de mesure afin de permettre l'utilisation d'un dispositif de contrôle identique pour tous les capteurs. Cela permet notamment de standardiser les chaînes de commande et ainsi réduire leur coût de réalisation.
L'invention concerne également un procédé de calibrage des chaînes de commande 100A, 100B et 100C illustrée à la figure 1.
Selon une première étape d'un procédé de calibration dit « statique », le dispositif de contrôle 30A met sous tension la paire de bobine de puissance 4A, 4C, de sorte l'entrefer entre le capteur 6 A et le rotor 2 soit maximum et maintenu constant. De cette façon, la valeur du signal 29A délivré par le dispositif de mesure 20A est maximale. Selon une seconde étape, le dispositif de contrôle 30A modifie la valeur de la composante continue (offset) du multiplieur 23 A de sorte que la valeur maximale du signal 29 A corresponde à une valeur de référence. Selon une troisième étape, la première et la seconde étape sont reproduites pour les chaînes de mesure 100B et 100C.
Selon une variante du procédé de calibration précédent, dite « dynamique » car réalisée lors du fonctionnement de la machine électrique 1, le dispositif de contrôle 30A calcule la valeur moyenne du signal 29 A généré par le dispositif de mesure 20A lors d'une première étape. Dans le cas où cette valeur n'est pas égale à zéro, le dispositif de contrôle 30A modifie la composante continue du multiplieur 23A pour atteindre cette valeur lors d'une seconde étape. Ce procédé de calibration dynamique est reproduit pour chaque chaîne de commande associée à la machine.
L'invention concerne aussi un procédé de contrôle dynamique du régime du moteur. Selon une première étape, le dispositif de contrôle 30A compare en temps réel les mesures réalisées par le dispositif de mesure à une valeur de référence. La valeur de référence correspond à un comportement optimum du moteur en fonction de son régime de fonctionnement, la valeur de référence est issue d'une courbe d'étalonnage de la machine. Dans le cas où ces deux valeurs ne sont pas identiques, lors d'une seconde étape le dispositif de contrôle modifie la valeur des seuils de détection haut SA et de détection bas SB du comparateur à hystérésis 31 afin de déphaser le signal 29 A jusqu'à ce que les deux valeurs soient identiques. Le procédé de contrôle dynamique du régime du moteur est réalisé au niveau de chaque chaîne de commande associée au moteur.
En conclusion, l'invention permet la réalisation de machines électriques intégrant un ou plusieurs capteurs détectant la position des pôles magnétiques de leur rotor. L'utilisation d'un capteur physique assure une meilleure fiabilité par rapport à un calcul modélisant la position du rotor.
D'autre part, l'utilisation d'un capteur pour commander l'alimentation par une même phase d'un courant une ou plusieurs bobines de puissance, permet un fonctionnement optimal de la machine électrique en mode autopiloté, selon un mode moteur ou générateur. De plus, la ségrégation entre les capteurs permet de limiter les risques de panne de la machine en mode moteur. En effet, un défaut d'un capteur n'entraînera pas un défaut d'alimentation de toutes les bobines de puissance. De façon avantageuse, les autres chaînes de commande peuvent alors ajuster l'alimentation de leurs bobines associées pour compenser la panne du capteur et permettre un fonctionnement normal ou quasi normal du moteur.
La présente demande propose ainsi une machine électrique plus sûre et plus souple d'utilisation.

Claims

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