2.4. Le dispositif SYNCHRO
ou AUTOSYN (Marque Déposée 1938) ou SYNCHROMACHINE
Le synchro est utilisé pour sa simplicité, sa robustesse, sa grande sensibilité et sa résolution pratiquement infinie. Il allie le principe du moteur électrique à celui du transformateur. Comme le moteur, le synchro a des enroulements fixes et d'autres montés sur un rotor porté par un axe ; comme le transformateur, l'un des enroulements fonctionne comme primaire et l'autre comme secondaire. Chacun d'eux, celui du rotor ou celui du stator, peut être utilisé comme primaire selon le type de synchro et les applications envisagées.
Le mot synchro est souvent utilisé comme terme générique pour désigner des appareils transducteurs qui peuvent être connectés entre eux de plusieurs manières pour former un système de mesure d'angle ou de position. Ils fonctionnent tous selon le même principe de transformateur tournant.
Dans le synchro-transmetteur, le rotor joue le rôle de primaire et les enroulements statoriques celui de secondaire. Comme l'angle entre les enroulements rotoriques et les enroulements statoriques peut être modifié en tournant l'axe, le couplage du primaire au secondaire change par conséquent et la tension induite dans le secondaire dépend de cet angle : ou peut donc considérer que le synchro-transmetteur traduit une position en tension.
Schéma, symbole et structure synchro
Dans le synchro-récepteur, les enroulements du stator créent un champ magnétique dont la direction et l'intensité sont déterminés par les tensions appliquées. Le rotor tourne alors jusqu'à ce qu'il se soit lui-même équilibré dans le champ magnétique du stator. L'angle dont l'axe aura tourné dépendra, par conséquent, de la tension appliquée aux enroulements statoriques. On peut donc considérer que le synchro-récepteur traduit une tension en position.
2.4.1 Le synchro-transmetteur.
Comme le montre la figure ci-contre, le synchro-transmetteur (TX) a un enroulement rotorique et trois enroulements statoriques connectés en étoile. Ces trois derniers sont disposés à 120 ° les uns des autres, et une extrémité de chacun d'eux est connectée à un point commun.
Cette borne commune n'est pas accessible, mais les extrémités libres des enroulements du stator sont reliées à des bornes extérieures qui sont nommées S1, S2, S2. Les fils du rotor sont également connectés à deux bornes extérieures nommées R1 et R2.
L'enroulement du rotor est relié à la source de tension d'excitation (En principe 26 V 400 Hz) et joue, par conséquent, le rôle du primaire d'un transformateur. Les enroulements ou stator fonctionnent comme des secondaires, et la tension induite dans un secondaire donné dépend de l'angle sous lequel les lignes de force magnétiques coupent les spires : elle sera donc déterminée, dans l'un quelconque de ces trois secondaires, par la position du rotor.
Le tableau ci-dessous illustre la correspondance entre cette position et la tension induite dans l'enroulement statorique. Pour fixer une origine, nous avons supposé, que l'angle de rotation de l'axe est nul lorsque le rotor est aligné avec la bobine S2 du stator. Dans cette position, le couplage entre le primaire (rotor) et le secondaire sera maximal et la tension induite sera également maximale. Si nous faisons maintenant, tourner le rotor à partir de cette position, le couplage avec S2 décroîtra et la tension induite dans S2 décroîtra également : elle varie comme le cosinus de l'angle de l'axe.
Lorsque le rotor aura tourné de 30 °, comme sur le tableau ci-dessous, la tension induite dans S2 sera réduite à environ 87 % de la tension maximale (cos 30° = 0,866). Si le rotor tourne de 60 °, la tension induite diminuera de moitié (cos 60° = 0,5). Et lorsque le rotor aura tourné de 90 °, elle sera nulle (cos 90° = 0). Au-delà de 90°, le rotor recommence à tendre vers une position dans laquelle il sera de nouveau aligné avec S2 et la tension induite recommencera à croître. À cet instant, toutefois le rotor a dépassé la position horizontale de sorte que les extrémités R1 et R2 ont échangé leur position. La tension induite dans S2 est, par conséquent, en opposition de phase avec celle induite par le rotor pour des angles inférieurs à 90°. Lorsque l'angle de rotation aura atteint 180°, le rotor sera de nouveau aligné avec S2, et la tension induite sera de nouveau maximale (mais en opposition de phase avec celle existant lorsque l'axe est sur la position 0°). Lorsque l'axe continue à tourner de 180 à 270 °, la tension induite décroît à nouveau, puis, de 270 à 360 °, elle recommence à croître.
| Angle | 0° | 30° | 60° | 90° | 120° | 150° | 180° |
| Tension S2 | Max | 0,866 | 0,5 | 0 | 0,5 | 0,866 | Max |
| Phase | En phase | En phase | En phase | - | Opposition | Opposition | Opposition |
La représentation graphique des variations d'amplitude entre S1 et S3 est donnée par la figure ci-contre :
Noter le changement de phase du 400 Hz au passage à 0°. Cette tension induite entre S1 et S3, est cependant incapable de fournir sans ambiguïté la position du rotor. Une tension induite nulle, par exemple, n'indique pas si l'angle de rotation de l'axe est de 0 ou de 180 °. De même, la tension induite est identique pour un angle de 30 ou de 330 °, ou pour un angle de 60 ou de 300 °, et ainsi de suite. Un enroulement statorique unique est, par conséquent, incapable de définir sans ambiguïté la position de l'axe.
Courbes des trois tensions statoriques
Puisque le synchro a trois enroulements statorique décalés de 120 °, le couplage du primaire au secondaire, pour un stator donné, croît lorsque le couplage à un autre stator décroît : lorsqu'on tourne le rotor de 0 vers 60 °, par exemple, le couplage à S2 décroît, mais le couplage S1 croît. La tension induite dans S1 croît, par conséquent, tandis que la tension aux bornes de S2 décroît. La borne commune des enroulements statoriques n'étant pas accessible de l'extérieur du synchro, on définit habituellement les tensions de sortie du stator par les différences de potentiel de borne à borne, c'est-à-dire entre S1 et S2, S1 et S3 et S2 et S3 et dénommée : tension ligne-ligne
Les amplitudes de ces trois différences de potentiel de borne à borne sont représentées, en fonction de l'angle de rotation de l'axe, sur la figure ci-contre :
Tensions des enroulements S1S3, S3S2, S2S1 en fonction de la rotation du rotor selon les conventions MIL-S-20708
E (S3 S1) = KE (R1 R2) sin Θ
E (S2 S3) = KE (R1 R2) sin (Θ + 120°)
E (S1 S2) = KE (R1 R2) sin (Θ + 240°)
Il est important de remarquer que ces trois courbes ne représentent pas les formes des tensions de sortie en fonction du temps, mais qu'elles représentent, au contraire, les variations des valeurs efficaces des tensions induites lorsque l'angle de rotation varie.
En étant puriste, il faudrait écrire : E (S3 S1) = KE (R1 R2) sin ωt sin Θ, K étant le facteur de couplage entre primaire (R1 R2) et secondaire (S3 S1) de la fonction transformateur, ω étant la pulsation (2.π.fréquence) de la tension d'excitation et Θ étant l'angle de rotation de l'axe du rotor en sens anti-horaire, vue du bout de l'axe, avec l'origine 0° égale au zéro électrique (Voir 2.4.5 Zéro électrique).
Les portions de ces trois courbes situées au-dessus de l'axe horizontal indiquent une tension induite en phase avec l'excitation, et la portion située sous l'axe horizontal représente une tension induite en opposition de phase avec l'excitation. À titre d'exemple, lorsque l'angle de rotation est de 60 °, la tension entre les bornes S1 et S3 est proche du maximum et en phase avec l'excitation. La tension entre les bornes S2 et S1 est proche du maximum mais en opposition de phase avec la tension d'excitation. On voit que les trois tensions de borne à borne repèrent l'angle de l'axe ; c'est-à-dire qu'il n'y a pas deux positions de cet axe pour lesquelles ces tensions seront les mêmes.
Structure d'un synchro.
Synchros de MHRS B747
Le stator d'un synchro-transmetteur se compose de tôles de fer laminées avec les enroulements disposés dans des encoches, comme le montre la figure ci-contre. Les enroulements statoriques sont répartis électriquement en trois groupes qui sont décalés de 120 °. Lorsque les tôles minces du stator sont empilées, chaque tôle est tournée très légèrement par rapport la précédente de façon que les encoches ne soient pas exactement alignées. La forme d'une encoche est, par conséquent, incurvée, c'est-à-dire qu'aucune d'elles n'est parallèle à l'axe du rotor. Cette incurvation, que montre la figure ci-contre, distribue le champ magnétique de manière que le rotor n'ait pas tendance à se stabiliser dans une position préférentielle par rapport aux encoches.
L'enroulement rotorique est bobiné sur une armature feuilletée. Les extrémités des tôles du rotor sont formées de façon à avoir un entrefer petit entre le stator et le rotor. L'axe est monté sur roulements à bille pour réduire les pertes par frottement. Une paire de bagues, disposées sur une partie isolante de base, et une paire de balais maintiennent le contact électrique entre l'enroulement du rotor et les bornes extérieures.
Une rondelle ressort est montée sur la partie supérieure du roulement du côté de la plaque à borne (Côté opposé à la sortie de l'axe du rotor) afin d'éviter une translation latérale du rotor et de compenser les dilatations thermiques.
Au premier plan, un synchro transmetteur de couple et, au second plan, un synchro différentiel provenant s'un MHRS (Magnetic heading Reference System) de B747-300. Tous les deux sont équipés de bagues et balais et fonctionnent avec une référence de 26 V 400Hz.
La page accessible par le lien suivant vous donnera d'autres photographies de différents types de synchro et resolver.
Plus de photos
(~ 380 ko)
