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Sur quelques applications electrotechniques des effets magneto-electriques dans les semi-conducteurs
Solid-State Electronics Pergamon Press 1966. Vol. 9, pp. 533-539.
Printed in Great Britain
SUR QUELQUES APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES DANS LES SEMI-CONDUCTEURS R. BONNEFILLE
Maitre de Conferences h la Facult6 des Sciences de Paris, France R ~ u m & - - L a place de plus en plus grande occup6e par les semiconducteurs darts toutes les branches de la Physique ne pouvait laisser insensibles les Electrotechniciens. C'est ainsi que depuis 5 ans, la Chaire d'Electrotechnique de la Facult6 des Sciences de Paris a d6velopp@ au Laboratoire Central des Industries Electriques, sons l'impulsion des professeurs P. Aigrain et Ph. Olmer, des reeherches orient6es vers l'application, aux machines ~leetriques, des effets magn~to-61ectriques dans les semiconducteurs. Le p r ~ e n t article fair le point des r@sultats obtenus dans quatre de ces @tudes, l'une de caract~re plus fondamental, les trois antres plus nettement appliqu~es. A b s t r a c t ~ T h e present paper gives the results of four researches developed in the "Laboratoire Central des Industries Electriques" by the Department of Electrical Engineering of the "Facult6 des Sciences de Paris." The first research, more fundamental, concerns the study of the Hall effect in a rotating electric field. The others have led to realize three rotating devices without sliding contacts: A variable speed single phase induction motor possessing, thanks to a Hall effect 0 pole, a starting torque with a controlled sense of rotation. A Hall effect position detector, the output signal of which is independent of variations of the Hall "constant." A direct current motor, using at once for commutator and for rotor position detector a magnetoresistant semiconductor system. Z u s a m m e n f a s s u n g - - D i e immer gr6sser werdende Bedeutung der Halbleiter in allen Zweigen der Physic kormte yon den Elektrotechnikem nicht iibersehen werden. Deshalb fiihrte die Abteilung ffir Elektrotechnik an der Akademie der Wissenschaften zu Paris im Zentrallaboratorium der Elektroindustrie mater der Anleitmag der Professoren P. Aigraln und Ph. Olmer seit 5 Jahren Untersuchungen mit dem Zweck durch, die galvanomagnetischen Effekte in Halbleitem auf elektrische Maschinen anzuwenden. Der folgende Artikel gibt den Stand der Ergebnisse, welche in 4 speziellen Untersuchungen erzielt wurden. Die erste Untersuchung yon mehr grunds~itzlichem Charakter betrifft den Halleffekt in einem rotierenden elektrischen Feld. Die anderen 3 Untersuchungen zielen mehr auf Anwendungen ab und haben zu rotierenden Systemen ohne Schleifkontakte gefilhrt: Einem einphasigen Asynchronmotor yon variabler Drehzahl, der ein Anfangsmoment mit defmiertem Richtungssinn besitzt; einem auf dem Halleffekt beruhenden Richtungsanzeiger, dessen Ausgangssignal unabb_~gig yon den Veriinderungen der Hall-"Konstante" ist; einem Gleichstrommotor mit einem magnetfeldabhiingigen Halbeitersystem, das als Komutator und gleichzeitig als Richtungsanzeiger ffir den Rotor dient. 1. ETUDE THEORIQI.TE DE L ' E F F E T H A L L E N CHAMP ELECTRIQI_~ T O U R N A N T N o u s AVONS 6tudi6 le c o m p o r t e m e n t d ' u n d i s q u e s e m i c o n d u c t e u r soumis d ' u n e p a r t ~ u n c h a m p d ' i n d u c t i o n m a g n & i q u e u n i f o r m e B, i n d 6 p e n d a n t d u t e m p s et, d ' a u t r e part, h u n c h a m p 61ectrique tournant.
N o u s avons m o n t r 6 t o u t d ' a b o r d q u ' u n disque circulaire m i n c e , d'6paisseur e et de conduetivit6 a, ~ la p6riph6rie d u q u e l on a p p l i q u e u n e r~partit i o n c o n t i n u e de tensions t o u r n a n t e s (Fig. 1) de la f o r m e 10" = U exp[~(cot + p $ ) ] 533
534
R. B O N N E F I L L E
prdsente une admittance cyclique 61dmentaire
Y~o = pea. cos20zr(1 +jtgOH) dO,
l'admittance cyclique Y de ce "multipble"(3); elle prend alors la forme Y = Y exp [ +j~o]
On &ant l'angle de Hall. Nous en ddduisons que le disque se comporte, suivant le sens de rotation du champ dlectrique, comme un circuit ~ pr6pond6rance soit capacitive, soit inductive et que l'argument de l'admittance cyclique est 6gal ~t rangle de Hall 0H.(1)
Le double signe indique que les conclusions prdcddentes restent qualitativement valables, mais ~0n'est plus dgal ~ l'angle de Hall On; en particulier si B tend vers l'infini, On' tend vers rr/2, alors que tend vers une limite
y 2
q
Les r6sultats expdrimentaux concernant la d&ermination de Y pour un disque d'antimoniure d'indium sont en bon accord avec la th6orie pr6e6dente.a)
FIG. 1.
Evidemment, cette distribution continue de potentiel constitue un cas iddal et nous avons 6tudi6 ensuite le comportement d'un disque muni d'un hombre fini q de contacts p6riph6riques (Fig. 2) auxquels on applique un syst~me de q V1
Vq
d2
cq
t~
2. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE A E F F ~ HALL Un moteur asynchrone monophas6 souffre de deux graves d6fauts: un couple de d6marrage nul et une vitesse invariable pour un couple r6sistant donn& Consdquence immddiate de la pr6c~dente dtude, le remplacement d'une bague de court-circuit du rotor h cage d'6cureuil par un multip61e h effet Hall D (Fig. 3) devrait permettre de pallier ces deux inconv~nients.
2\
V
I I !
i I
\
J
\
// xN..
/v, /
/
FIG. 2.
tensions polyphasdes ~quilibr~es de la forme U , = Uexp{j[tot+ ( i - 1 ) ~ ] } La r6solution de l'6quation de Laplace par une mdthode utilisant des transformations conformes et sugg~rde par WICK(2), nous a pennis de calculer
FIG. 3.
Le calcul du couple de ce nouveau moteur(4) a montr6 en fait que le fonctionnement est seulement possible
APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES
535
sLator
\
/
r'~ Lot
H
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J:
% Fzo. 4.. (a) si le rotor est bobin6 et non pas /~ cage d'~cureuil (ceci pour "accorder" les r~sistances du bobinage et du disque de InSb); (b) si le nombre de phases q du rotor est sup6rieur/t 6. D'autre part un simple examen de la Fig. 3 montre que pour obtenir un champ d'induction B suflZasant on doit, soit disposer le disque semiconducteur D dam le faible entrefer d'un dectroaimant, ce qui exige une liaison convenable entre l'enroulement secondaire et le disque, soit utiliser un rotor extra plat. Ceci nous a conduit h la r~alisation de trois prototypes. (5) Le premier (Fig. 4), aliment6 par le stator, ce qui n6cessite l'utilisation de q contacts glissants (ici q = 7), a obligatoirement des performances m6diocres; cependant des essais/~ vide nous ont permis de v6rifier qu'il poss~de bien un couple de d6marrage, une vitesse variable en fonction de l'amplitude de B, et aussi un sens de rotation different suivant le sens de B. Lea r~sultats obtenus avec le deuxi~me moteur (Fig. 5) aliment6 par le rotor, et utilisant done seulement deux contacts glissants, sont plus concluants. La constitution du bobinage stator permet la liaison /l des muhip61es /t 9 ou 18 bornes. Le Fig. 6 repr6sente pour q = 9, Ie couple T e n fonction du glissement g. Nous voyons que le couple maximal est une fonction croissante de l'induction B; signalons que ce couple maximal est toujours sup6rieur/t celui du moteur sans effet Hall; d'autre part, pour un
couple d6termin~ oppos~ au moteur, le r~glage de B permet effectivement de faire varier le glissement, done la vitesse.
F-~-"-'-N
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1
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FIG. 5. La Fig. 7 repr~sente, en fonction de l'induction B, le couple au d&narrage 7'D du m~me moteur dont le stator est reli6 ~ un multip61e ~ 18 bornes. Ce couple atteint sa valeur maximale pour B z~: 1,3 Wb.m -2, induction facile ~ obtenir.
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R. B O N N E F I L L E t
,
N.m.
q=9
lj5
iBcw, )
o,5 /]~f" //~/~/~/" 10
Ira/o;. Valeur's mesur'~es • ValeUes ealcul~es 20
30
40
50
gc .2
60
FIG. 6.
Nous avons enfin rdalis6 un troisi~me prototype, sans contacts glissants, correspondant ~t notre sch6ma de principe et dans lequel le multip61e est intdgr6 dans un rotor tr~s plat, ~t circuit
'(..m.)
q=t8
o,s
X
x f . - - -I(- ~
dire que les premiers essais sont satisfaisants. Ce moteur dolt &re capable d'applications industrielles intdressantes; nous devons cependant signaler que la n6cessitd de dissiper dans le disque semiconducteur, de dimensions obligatoirement rdduites, une pattie importante de l'6nergie totale, limite forc6ment la puissance du moteur quelques centaines de watts.
X
3. DETECTEUR DE POSITION A E F F E T HALL Le dispositif propos6 (Fig. 8) comporte un 6chantillon mince semi-conducteur (InSb), de section carrie, aliment6, suivant deux lignes de contacts rectangulaires, par deux courants alternatifs en quadrature. il
x valeurs mesur6es • valeurs calcul~es
/ B (wb/?~)~ 0
1
I
0~5
1
1,5
Fro. 7. imprim6*; ce moteur est actuellement en cours d'exp6rimentation et nous pouvons simplement
I0 sin oJt
iz = Io
cos cot
L'angle o~ h d6tecter est d6fini par la direction du champ d'induction uniforme B, situ6 dans le plan de l'6chantillon. Si nous adoptons une loi de conduction simplifi~e E --- p J + • J ^ B ,
la tension de Hall recueillie entre les centres des faces est vn
* Recherche effectu~e sous contrat de la " D i r e c t i o n des Recherches et M o y e n s d ' E s s a i s . "
=
= vnl+
vn z = kRBIo
cos (cot + ~)
off k est un coefficient g6om6trique.
APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES L'angle o, qui apparalt ainsi comme la phase de la tension de Hall, est rep4r6 par un dispositif d6tecteur de phase et les variations de R sont sans effet sur le syst~me.(6) v H = VHI+VH2
I0 cos. 0 t,
i I = I 0sin.
t~ t
"
Fio. 8. En r6alit6, le r4sultat obtenu ne tient pas compte de la perturbation de la densit6 de courant due au champ magn6tique et la loi de conduction choisie est insuffisante. Nous avons fait une approximation plus valable en supposant que E = pJ+RJAB+S(J.B)B
et avons pu trouver une solution approch4e au probl~me en transformant le domaine de l'4chantillon par une affmit6 dans la direction de B. (7) Dans le cas od (~Be/r) ~ 1, la tension de Hall devient VH = - k R B I o [cos ( o J t + ~ ) + q cos (oJt+3~)]
q se pr4sente comme l'amplitude relative de l'harmonique 3 dans le signal correspondant it l'alimentation par un seul courant; q est une fonction croissante du champ d'induetion B et, si 1'on veut le limiter it 0,2%, on doit op4rer avec B ~< 0,1 l~rb.m-2 Ceci constitue l'une des principales causes d'erreur du dispositif, mais il semble possible de trouver une forme g6om4trique de l'6chantillon qui permette de s'en affranchir. Signalons 4galement que nous avons rencontr6
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dans la raise en oeuvre de l'appareil quelques difficult6s techniques concernant notamment le r6glage du z4ro, les r~glages du d6phasage et de l'amplitude des courants d'alimentation, l'obtention d'une induction uniforme sur toute l'&endue de l'4chantillon. Aussi, la pr4cision de notre premier prototype* it t'elle 4t6 r4duite: de l'ordre du degr4. Cependant, les amdiorations apport4es actuellement laissent esp6rer une pr4cision bien sup6rieure, permettant d'envisager une utilisation industrielle de l'appareil qui pr4sente deux avantages fondamentaux: il ne poss~de pas, contrairement aux d&ecteurs bobin6s classiques, de contacts glissants, ce qui le rend en particulier insensible aux variations de pression, donc adapt6 aux applications spatiales. il d61ivre un signal de sortie dans lequel la grandeur utile ~ apparait comme un d4phasage et n'est ainsi pas affect4e par les variations de la "constante" de Hall; les indications de l'appareil sont donc, contrairement it celles des d6tecteurs "uni-courant" it effet Hall, pratiquement ind4pendantes de la temp4rature. Remarquons 4galement que l'obtention de l'information angulaire sous la forme d'une phase peut amener d'int4ressants d6veloppements, par suite de la facilit6 de transmission par ondes radio41ectriques. 4. MOTEUR A COI/RANT CONTINU SANS C O L L E C T E U R
Nous avons signal6 ci-dessus les inconv6nients inh6rents aux contacts glissants utilis4s dans les machines it courant alternatif. Ces inconv4nients sont encore plus s4rieux pour les moteurs it courant continu od ces contacts sont responsables d'une part d'&incelles de commutation (parasites radio-61ectriques) et, d'autre part, d'une chute de tension prohibitive, entravant leur adaptation aux nouveaux convertisseurs d'6nergie (piles solaires et it combustibles). Pour supprimer le collecteur et les balais, nous avons imagin4 un moteur comportant des dispositifs it semiconducteurs fortement magn&or4sistants, servant de commutateurs et de d6tecteurs de position du rotor. * Recherche effectu4e sous contrat de la "Direction des Recherches et Moyens d'Essais."
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R. BONNEF IL L E
Ce moteur (Fig. 9) comporte un inducteur mobile (aimant permanent M1) et un induit fixe Sa, dans les encoches duquel est log6 l'enroulement IV. Cet enroulement est aliment6 par une
En pratique il est pr6f6rable, pour r6gulariser le couple moteur de disposer sur l'induit 81, p enroulements identiques ~ W, d'axes d6cal6s de (~r/2v), et aliment6s par p quadrip61es identiques, dont les disques sont 6galement d6cal6s de
(,~/2p). 1
l Ill
l;(" .z
"
B
2
O,S Fro. 9.
source continue de tension Ve par l'interm6diaire d'un quadrip61e inverseur (Fig. 10), dont les 616ments D, disques semiconducteurs soumis un champ d'induction magn6tique variable B2, ont une r6sistance R = R0(1 +~2B~2).
Afin que le champ B2 soit appliqu6 successivement sur le couple D1D2, puis sur le couple DI"D2', ces disques sont situ6s dans l'entrefer compris entre une carcasse magn6tique fixe $2 et un aimant permanent 3/2 entrain6 par l'arbre moteur (Fig. 9).
0,5
1 F I o . 11.
Notre premibre r6alisation conceme un moteur de faible puissance (environ 1 W.) correspondant p=4 et B 2 = 0 , 8 W b . m -2. Les courbes repr6sentatives du couple T e n fonction de la vitesse V pour diff6rentes valeurs de l'induction B1 (Fig. 12), sont tout h fait comparables h celles du moteur classique h collecteur. T lO-2N.m
vT
W
D2 FIO. 10.
Le rendement du moteur est principalement limit6 par le rendement du quadrip61e, qui s'exprime, en fonetion du rapport x = (Vs/Ve) des tensions de sortie et d'entr6e par la relation ~l=X
(R-Ro)-(R+Ro)x (R+R0)-(R-R0)x
Les courbes de la Fig. 11 indiquent les r6sultats obtenus avec de l'antimoniure d'indium de mobilit6 maximale (p = 8 m~ • V -1 sec-1).
10 8 6
~
1= 0,72 Wb.m -2
200
/¢00
600
800
1000
_1 r. mn
FIG. 12.
Une augmentation importante de la puissance du moteur ne pourra intervenir qu'avec l'utilisation
APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES d ' u n mat4riau semiconducteur pr4sentant h la lois une grande magn~tor4sistance et une r4sistance suflisante pour permettre son adaptation ~ ceUe du bobinage induit.* CONCLUSIONS Les quelques exemples ci-dessus montrent qu'il est possible de trouver, grace aux effets magndto-41ectriques darts les semiconducteurs, des solutions heureuses ~ des probldmes particuliers de l'~lectrotechnique. I1 faut cependant souligner que les dispositifs correspondants ont une puissance limit4e et qu'il ne semble pas, pour le moment du moins, que les semiconducteurs puissent apporter, dans le domaine des machines dlectriques, une rdvolution *Recherche effectu6e sous Contrat du "Centre National d'Etudes Spatiales".
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semblable h celle dont ils ont fair b4n6ficier l'61ectronique. Remcrdents--Nous ne saurions termlner cet article sans
remercier G. QUICHAUD, Ing4nieur au L.C.I.E., F. P~m~OT, Attach~ de Recherches au C.N.R.S. et G. CHEVALLIER,Assistant ~ la Chaire d'Electrotechnique pour leur tr~s active collaboration. BIBLIOGRAPHIE 1. R. BONNEFILLE,Recd. Gdn. Elec. 72, 445 (1963). 2. R. F. WICK, J. Appl. Phys. 25, 741 (1954). 3. R. BONNEFILLE et G. QUICHAUD,./~o. Gdn. Elec. 71, 535, (1962). 4. R. BONNF~tLLE,Bull. Soc. Franc. Ele¢. 35, 573 (1962). 5. R. BONNEFmLE,Bull. Soc. Franc. Elec. 60, 757 (1964). 6. F. PEImOT,Th~se 3~me Cycle, Fac. Se. Paris (1964). 7. F. PmmoT et R. BONt~r~ILLE,L'Onde Electrique, 455, 234 (1965). 8. G. QUXCHAUDet R. BO~-EFILLE,J. Phys..4ppl. 26, 22 A (1965).
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SUR QUELQUES APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES DANS LES SEMI-CONDUCTEURS R. BONNEFILLE
Maitre de Conferences h la Facult6 des Sciences de Paris, France R ~ u m & - - L a place de plus en plus grande occup6e par les semiconducteurs darts toutes les branches de la Physique ne pouvait laisser insensibles les Electrotechniciens. C'est ainsi que depuis 5 ans, la Chaire d'Electrotechnique de la Facult6 des Sciences de Paris a d6velopp@ au Laboratoire Central des Industries Electriques, sons l'impulsion des professeurs P. Aigrain et Ph. Olmer, des reeherches orient6es vers l'application, aux machines ~leetriques, des effets magn~to-61ectriques dans les semiconducteurs. Le p r ~ e n t article fair le point des r@sultats obtenus dans quatre de ces @tudes, l'une de caract~re plus fondamental, les trois antres plus nettement appliqu~es. A b s t r a c t ~ T h e present paper gives the results of four researches developed in the "Laboratoire Central des Industries Electriques" by the Department of Electrical Engineering of the "Facult6 des Sciences de Paris." The first research, more fundamental, concerns the study of the Hall effect in a rotating electric field. The others have led to realize three rotating devices without sliding contacts: A variable speed single phase induction motor possessing, thanks to a Hall effect 0 pole, a starting torque with a controlled sense of rotation. A Hall effect position detector, the output signal of which is independent of variations of the Hall "constant." A direct current motor, using at once for commutator and for rotor position detector a magnetoresistant semiconductor system. Z u s a m m e n f a s s u n g - - D i e immer gr6sser werdende Bedeutung der Halbleiter in allen Zweigen der Physic kormte yon den Elektrotechnikem nicht iibersehen werden. Deshalb fiihrte die Abteilung ffir Elektrotechnik an der Akademie der Wissenschaften zu Paris im Zentrallaboratorium der Elektroindustrie mater der Anleitmag der Professoren P. Aigraln und Ph. Olmer seit 5 Jahren Untersuchungen mit dem Zweck durch, die galvanomagnetischen Effekte in Halbleitem auf elektrische Maschinen anzuwenden. Der folgende Artikel gibt den Stand der Ergebnisse, welche in 4 speziellen Untersuchungen erzielt wurden. Die erste Untersuchung yon mehr grunds~itzlichem Charakter betrifft den Halleffekt in einem rotierenden elektrischen Feld. Die anderen 3 Untersuchungen zielen mehr auf Anwendungen ab und haben zu rotierenden Systemen ohne Schleifkontakte gefilhrt: Einem einphasigen Asynchronmotor yon variabler Drehzahl, der ein Anfangsmoment mit defmiertem Richtungssinn besitzt; einem auf dem Halleffekt beruhenden Richtungsanzeiger, dessen Ausgangssignal unabb_~gig yon den Veriinderungen der Hall-"Konstante" ist; einem Gleichstrommotor mit einem magnetfeldabhiingigen Halbeitersystem, das als Komutator und gleichzeitig als Richtungsanzeiger ffir den Rotor dient. 1. ETUDE THEORIQI.TE DE L ' E F F E T H A L L E N CHAMP ELECTRIQI_~ T O U R N A N T N o u s AVONS 6tudi6 le c o m p o r t e m e n t d ' u n d i s q u e s e m i c o n d u c t e u r soumis d ' u n e p a r t ~ u n c h a m p d ' i n d u c t i o n m a g n & i q u e u n i f o r m e B, i n d 6 p e n d a n t d u t e m p s et, d ' a u t r e part, h u n c h a m p 61ectrique tournant.
N o u s avons m o n t r 6 t o u t d ' a b o r d q u ' u n disque circulaire m i n c e , d'6paisseur e et de conduetivit6 a, ~ la p6riph6rie d u q u e l on a p p l i q u e u n e r~partit i o n c o n t i n u e de tensions t o u r n a n t e s (Fig. 1) de la f o r m e 10" = U exp[~(cot + p $ ) ] 533
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prdsente une admittance cyclique 61dmentaire
Y~o = pea. cos20zr(1 +jtgOH) dO,
l'admittance cyclique Y de ce "multipble"(3); elle prend alors la forme Y = Y exp [ +j~o]
On &ant l'angle de Hall. Nous en ddduisons que le disque se comporte, suivant le sens de rotation du champ dlectrique, comme un circuit ~ pr6pond6rance soit capacitive, soit inductive et que l'argument de l'admittance cyclique est 6gal ~t rangle de Hall 0H.(1)
Le double signe indique que les conclusions prdcddentes restent qualitativement valables, mais ~0n'est plus dgal ~ l'angle de Hall On; en particulier si B tend vers l'infini, On' tend vers rr/2, alors que tend vers une limite
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Les r6sultats expdrimentaux concernant la d&ermination de Y pour un disque d'antimoniure d'indium sont en bon accord avec la th6orie pr6e6dente.a)
FIG. 1.
Evidemment, cette distribution continue de potentiel constitue un cas iddal et nous avons 6tudi6 ensuite le comportement d'un disque muni d'un hombre fini q de contacts p6riph6riques (Fig. 2) auxquels on applique un syst~me de q V1
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2. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE A E F F ~ HALL Un moteur asynchrone monophas6 souffre de deux graves d6fauts: un couple de d6marrage nul et une vitesse invariable pour un couple r6sistant donn& Consdquence immddiate de la pr6c~dente dtude, le remplacement d'une bague de court-circuit du rotor h cage d'6cureuil par un multip61e h effet Hall D (Fig. 3) devrait permettre de pallier ces deux inconv~nients.
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FIG. 3.
Le calcul du couple de ce nouveau moteur(4) a montr6 en fait que le fonctionnement est seulement possible
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couple d6termin~ oppos~ au moteur, le r~glage de B permet effectivement de faire varier le glissement, done la vitesse.
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FIG. 5. La Fig. 7 repr~sente, en fonction de l'induction B, le couple au d&narrage 7'D du m~me moteur dont le stator est reli6 ~ un multip61e ~ 18 bornes. Ce couple atteint sa valeur maximale pour B z~: 1,3 Wb.m -2, induction facile ~ obtenir.
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FIG. 6.
Nous avons enfin rdalis6 un troisi~me prototype, sans contacts glissants, correspondant ~t notre sch6ma de principe et dans lequel le multip61e est intdgr6 dans un rotor tr~s plat, ~t circuit
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dire que les premiers essais sont satisfaisants. Ce moteur dolt &re capable d'applications industrielles intdressantes; nous devons cependant signaler que la n6cessitd de dissiper dans le disque semiconducteur, de dimensions obligatoirement rdduites, une pattie importante de l'6nergie totale, limite forc6ment la puissance du moteur quelques centaines de watts.
X
3. DETECTEUR DE POSITION A E F F E T HALL Le dispositif propos6 (Fig. 8) comporte un 6chantillon mince semi-conducteur (InSb), de section carrie, aliment6, suivant deux lignes de contacts rectangulaires, par deux courants alternatifs en quadrature. il
x valeurs mesur6es • valeurs calcul~es
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Fro. 7. imprim6*; ce moteur est actuellement en cours d'exp6rimentation et nous pouvons simplement
I0 sin oJt
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L'angle o~ h d6tecter est d6fini par la direction du champ d'induction uniforme B, situ6 dans le plan de l'6chantillon. Si nous adoptons une loi de conduction simplifi~e E --- p J + • J ^ B ,
la tension de Hall recueillie entre les centres des faces est vn
* Recherche effectu~e sous contrat de la " D i r e c t i o n des Recherches et M o y e n s d ' E s s a i s . "
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cos (cot + ~)
off k est un coefficient g6om6trique.
APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES L'angle o, qui apparalt ainsi comme la phase de la tension de Hall, est rep4r6 par un dispositif d6tecteur de phase et les variations de R sont sans effet sur le syst~me.(6) v H = VHI+VH2
I0 cos. 0 t,
i I = I 0sin.
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"
Fio. 8. En r6alit6, le r4sultat obtenu ne tient pas compte de la perturbation de la densit6 de courant due au champ magn6tique et la loi de conduction choisie est insuffisante. Nous avons fait une approximation plus valable en supposant que E = pJ+RJAB+S(J.B)B
et avons pu trouver une solution approch4e au probl~me en transformant le domaine de l'4chantillon par une affmit6 dans la direction de B. (7) Dans le cas od (~Be/r) ~ 1, la tension de Hall devient VH = - k R B I o [cos ( o J t + ~ ) + q cos (oJt+3~)]
q se pr4sente comme l'amplitude relative de l'harmonique 3 dans le signal correspondant it l'alimentation par un seul courant; q est une fonction croissante du champ d'induetion B et, si 1'on veut le limiter it 0,2%, on doit op4rer avec B ~< 0,1 l~rb.m-2 Ceci constitue l'une des principales causes d'erreur du dispositif, mais il semble possible de trouver une forme g6om4trique de l'6chantillon qui permette de s'en affranchir. Signalons 4galement que nous avons rencontr6
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dans la raise en oeuvre de l'appareil quelques difficult6s techniques concernant notamment le r6glage du z4ro, les r~glages du d6phasage et de l'amplitude des courants d'alimentation, l'obtention d'une induction uniforme sur toute l'&endue de l'4chantillon. Aussi, la pr4cision de notre premier prototype* it t'elle 4t6 r4duite: de l'ordre du degr4. Cependant, les amdiorations apport4es actuellement laissent esp6rer une pr4cision bien sup6rieure, permettant d'envisager une utilisation industrielle de l'appareil qui pr4sente deux avantages fondamentaux: il ne poss~de pas, contrairement aux d&ecteurs bobin6s classiques, de contacts glissants, ce qui le rend en particulier insensible aux variations de pression, donc adapt6 aux applications spatiales. il d61ivre un signal de sortie dans lequel la grandeur utile ~ apparait comme un d4phasage et n'est ainsi pas affect4e par les variations de la "constante" de Hall; les indications de l'appareil sont donc, contrairement it celles des d6tecteurs "uni-courant" it effet Hall, pratiquement ind4pendantes de la temp4rature. Remarquons 4galement que l'obtention de l'information angulaire sous la forme d'une phase peut amener d'int4ressants d6veloppements, par suite de la facilit6 de transmission par ondes radio41ectriques. 4. MOTEUR A COI/RANT CONTINU SANS C O L L E C T E U R
Nous avons signal6 ci-dessus les inconv6nients inh6rents aux contacts glissants utilis4s dans les machines it courant alternatif. Ces inconv4nients sont encore plus s4rieux pour les moteurs it courant continu od ces contacts sont responsables d'une part d'&incelles de commutation (parasites radio-61ectriques) et, d'autre part, d'une chute de tension prohibitive, entravant leur adaptation aux nouveaux convertisseurs d'6nergie (piles solaires et it combustibles). Pour supprimer le collecteur et les balais, nous avons imagin4 un moteur comportant des dispositifs it semiconducteurs fortement magn&or4sistants, servant de commutateurs et de d6tecteurs de position du rotor. * Recherche effectu4e sous contrat de la "Direction des Recherches et Moyens d'Essais."
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R. BONNEF IL L E
Ce moteur (Fig. 9) comporte un inducteur mobile (aimant permanent M1) et un induit fixe Sa, dans les encoches duquel est log6 l'enroulement IV. Cet enroulement est aliment6 par une
En pratique il est pr6f6rable, pour r6gulariser le couple moteur de disposer sur l'induit 81, p enroulements identiques ~ W, d'axes d6cal6s de (~r/2v), et aliment6s par p quadrip61es identiques, dont les disques sont 6galement d6cal6s de
(,~/2p). 1
l Ill
l;(" .z
"
B
2
O,S Fro. 9.
source continue de tension Ve par l'interm6diaire d'un quadrip61e inverseur (Fig. 10), dont les 616ments D, disques semiconducteurs soumis un champ d'induction magn6tique variable B2, ont une r6sistance R = R0(1 +~2B~2).
Afin que le champ B2 soit appliqu6 successivement sur le couple D1D2, puis sur le couple DI"D2', ces disques sont situ6s dans l'entrefer compris entre une carcasse magn6tique fixe $2 et un aimant permanent 3/2 entrain6 par l'arbre moteur (Fig. 9).
0,5
1 F I o . 11.
Notre premibre r6alisation conceme un moteur de faible puissance (environ 1 W.) correspondant p=4 et B 2 = 0 , 8 W b . m -2. Les courbes repr6sentatives du couple T e n fonction de la vitesse V pour diff6rentes valeurs de l'induction B1 (Fig. 12), sont tout h fait comparables h celles du moteur classique h collecteur. T lO-2N.m
vT
W
D2 FIO. 10.
Le rendement du moteur est principalement limit6 par le rendement du quadrip61e, qui s'exprime, en fonetion du rapport x = (Vs/Ve) des tensions de sortie et d'entr6e par la relation ~l=X
(R-Ro)-(R+Ro)x (R+R0)-(R-R0)x
Les courbes de la Fig. 11 indiquent les r6sultats obtenus avec de l'antimoniure d'indium de mobilit6 maximale (p = 8 m~ • V -1 sec-1).
10 8 6
~
1= 0,72 Wb.m -2
200
/¢00
600
800
1000
_1 r. mn
FIG. 12.
Une augmentation importante de la puissance du moteur ne pourra intervenir qu'avec l'utilisation
APPLICATIONS ELECTROTECHNIQUES DES EFFETS MAGNETO-ELECTRIQUES d ' u n mat4riau semiconducteur pr4sentant h la lois une grande magn~tor4sistance et une r4sistance suflisante pour permettre son adaptation ~ ceUe du bobinage induit.* CONCLUSIONS Les quelques exemples ci-dessus montrent qu'il est possible de trouver, grace aux effets magndto-41ectriques darts les semiconducteurs, des solutions heureuses ~ des probldmes particuliers de l'~lectrotechnique. I1 faut cependant souligner que les dispositifs correspondants ont une puissance limit4e et qu'il ne semble pas, pour le moment du moins, que les semiconducteurs puissent apporter, dans le domaine des machines dlectriques, une rdvolution *Recherche effectu6e sous Contrat du "Centre National d'Etudes Spatiales".
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semblable h celle dont ils ont fair b4n6ficier l'61ectronique. Remcrdents--Nous ne saurions termlner cet article sans
remercier G. QUICHAUD, Ing4nieur au L.C.I.E., F. P~m~OT, Attach~ de Recherches au C.N.R.S. et G. CHEVALLIER,Assistant ~ la Chaire d'Electrotechnique pour leur tr~s active collaboration. BIBLIOGRAPHIE 1. R. BONNEFILLE,Recd. Gdn. Elec. 72, 445 (1963). 2. R. F. WICK, J. Appl. Phys. 25, 741 (1954). 3. R. BONNEFILLE et G. QUICHAUD,./~o. Gdn. Elec. 71, 535, (1962). 4. R. BONNF~tLLE,Bull. Soc. Franc. Ele¢. 35, 573 (1962). 5. R. BONNEFmLE,Bull. Soc. Franc. Elec. 60, 757 (1964). 6. F. PEImOT,Th~se 3~me Cycle, Fac. Se. Paris (1964). 7. F. PmmoT et R. BONt~r~ILLE,L'Onde Electrique, 455, 234 (1965). 8. G. QUXCHAUDet R. BO~-EFILLE,J. Phys..4ppl. 26, 22 A (1965).