Brevet FR2067266A1 — publié le 19710820

La présente invention a pour objet un tachymètre électrique à courant continu utilisable pour la mesure de la vitesse de rotation d'appareils divers. Les tachymètres électriques à courant continu sont utilisés depuis longtemps pour la mesure de la vitesse de rotation d'organes et d'appareils divers. Ce sont essentiellement des génératrices électriques dans lesquelles la tension continue fournie par un induit tournant est directement proportionnelle à la vitesse de rotation. Les tachymètres du type que concerne particulièrement la présente invention comportent en général des aimants inducteurs permanents, un induit tournant, un collecteur et un aeu de balais. Un voltmètre gradué en tr/mn (ou en tout autre unité de vitesse) est branché sur les balais du tachymètre, et la vitesse de rotation est lue directement en tr/mn sur l'échelle du voltmètre. La tension fournie par ces tachymètres comprend une composante continue qui constitue le signal utile et une composante alternative ou tension ondulante. Dans les mesures de vitesse de type courant, mesures qui ne demandent qu'une précision relative, cette tension ondulante n'est pas gênante du fait quelle n'a aucun effet sur la vitesse indiquée par le voltmètre. riais, lorsqu'on désire détecter ou mesurer de faibles variations de vitesse par rapport à une vitesse moyenne (telles que celles que l'on observe par exemple dans les compresseurs qui sont des appareils dont la vitesse instantanée de rotation n'est pas absolument constante), cette tension ondulante a en général une amplitude telle que la mesure de ces variations est impossible ou, au mieux, imprécise.On comprend d'autre part, que des mesures de vitesse d'une telle précision exigent l'emploi d'un oscilloscope ou d'un autre appareil indicateur ou enregistreur répondant très rapidement aux variations de tension. Un voltmètre ordinaire a une inertie de réponse trop importante pour pouvoir indiquer des variations de tension si faibles et si rapides Des tachymètres conformes à la description ci-dessus sont actuellement fabriqués, mais ne donnent pas des résultats satisfaisants pour la mesure de variations de vitesse faibles etXou périodiques. Dans certains cas, il est aussi utile de pouvoir mesurer l'accélération de la vitesse de rotation d'un organe tournant, cette accélération étant- la dérivée par rapport au temps de la vitesse angulaire. La mesure de cette accélération est utile en particulier du fait qu'elle est directement proportionnelle au couple net qui agit sur un organe en rotation. Cette accélération peut être mesurée par une dérivation par rapport au temps de la tension fournie par un tachymètre à courant continu. Mais, la tension fournie par les tachymètres à courant continu de construction habituelle contient une tension ondulante telle que lorsque sa dérivée par rapport au temps est calculée dans un circuit approprié, le signal d'accélération que lton désire détecter est en général noyé dans cette tension ondulante. Un filtrage de la tension dérivée en vue d'en éliminer la tension ondulante va, par son principe même, à l'encontre du résultat cherché du fait que le signal d'accélération que l'on désire mesurer est lui aussi filtré et, par conséquent, modifié. La mesure de l'accélération angulaire d'organes en rotation est aussi importante lorsqu'il est nécessaire de réaliser d des systèmes d'asservissement d'un fonctionnement stable et pré cis En vue de réduire l'amplitude de leur tension ondulante, il a été -construit des-tachymètres à courant continu comportant un induit à encoches hélicoldales, un grand-nombre de bobinages inducteurs et autres particularités bien connues dans l'industrie électrique. Mais ces procédés n'éliminent pas complètement la tension ondulante du fait que sa présence est un caractère inhérent des-bobinages d'induit imbriqués ou ondulés. La présente invention a pour objet la réalisation d'un tachymètre exempt par inhérence de tension ondulante et fournissant une tension continue directement proportionnelle à la vitesse instantanée de rotation. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un tachymètre à courant continu dont le signal de sortie puisse entre dérivé par rapport au temps et fournisse ainsi un nouveau signal proportionnel à l'accélération de rotation et exempt de signaux parasites gênants. Le tachymètre à courant continu qui fait l'objet de la présente invention comporte un induit tournant dans un champ magnétique et une pluralité' de bobinages distincts enroulés autour de l'induit de façon qu'ils se couplent successivement avec ce champ magnétique. Ce champ magnétique est étudié de façon que son couplage inductif avec les bobinages de l'induit varie, dans une région prédéterminée, linéairement en fonction de l'angle de rotation de l'induit. Des balais montés dans la carcasse du tachymètre sont placés de façon à être momentanément en contact seulement avec les extrémités du ou des bobinages qui balaient à ce moment ladite région prédéterminée dans laquelle le couplage inductif varie linéairement en fonction de l'angle de rotation de l'induit. Les deux extrémités de chacun des bobinages peuvent être connectées sur des lames différentes d'un collecteur, ou bien l'une d'elles peut être connectée sur une lame de collecteur et l'autre sur une bague collectrice. Les lames du collecteur et/ou la bague collectrice sont en contact avec des balais dont la largeur est suffisante pour chevaucher l'intervalle qui sépare l'une de l'autre deux lames du collecteur adjacentes. De plus, ladite région prédéterminée doit soustendre un arc au moins égal à la somme des arcs respectivement soustendus par an balai et par une lame du collecteur. Les bobinages qui balaient ladite. région prédéterminée deviennent le siège d'une tension induite qui, selon la loi de Faraday, est exactement proportionnelle à leur vitesse de rotation. Les balais recueillent la tension qui prend naissance dans chacun de ces bobinages pendant son franchissement de ladite région prédéterminée. De plus, et du fait que chacun des intervalles qui séparent les lames du collecteur est plus étroit que les balais, ceux-ci recueillent une tension continue dont la valeur instantanée est proportionnelle à la vitesse instantanée de rotation. La description qui va suivre, et les dessins annexés donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessinsannexés la figure 1 représente schématiquement un tachymètre conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma montrant les arcs sous-tendus re'speé'tiv'émentpar une--lamé du Golleçteur, un balai, et une lame -d'ïsoîe'mént du collecteur; les figures 3 et 4 illustrent le déplacement de deux lames isolantes consécutives dans une section (ou une région) prédéterminée qui représentele secteur minimum sur lequel le champ-magnétique doit être en couplage inductif avec chacun des bobinages, ce couplage étant proportionnel à l'angle de rotation; la figure 5 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention;; la -figure 6 représente schématiquement un troisième mode de réalisation de l'invention, et la figure 7 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente schématiquement un-premier mode de réalisation du tachymètre de l'invention désigné dans son ensemble par la référence 10 et muni d'éléments fournissant un champ magnétique constant représenté par un pôle nord N et pôle Sud S appartenant respectivement à deux aimants permanents Il et 12 maintenus fixes dans une carcasse appropriée (non représentée). Un induit, se présentant sous la forme d'un cylindre en fer doux 14, est monté sur un arbre qui tourne dans des portées appropriées (non représentées).Le cylindre de fer doux constituant l'induit est, de préférence, feuilleté ou fait en fer divisé de façon à réduire l'intensité des courants de Fou caultO Un collecteur, fixé sur l'une des extrémités de l'induit, comprend une pluralité de lames ou segments 18 isolées les unes des autres et numérotées 1 à 16. En pratique, le commutateur utilisé peut comporter un plus grand nombre de lames 18, mais le nombre de ces lames doit eAtre pair pour une raison évidente qui apparaetra par la suite. Des bobinages 20, numérotés 1 à 8, sont enroulés autour de l'induit 14 parallèlement à son axe. Ces bobinages 20 comportent chacun un nombre égal de spires, sont angulairement équidistants les uns des autres et sont collés, ou autrement maintenus fixes, sur la surface de la carcasse de l'induit 14. Chacun de ces bobinages est enroulé de façon à former deux côtés opposés 21 et 22 dont les extrémités sont connectées respectivement sur deux lames 18 du collecteur diamétralement opposées. Le nombre des bobinages 20 doit par conséquent être la moitié de celui des lames 18-du collecteur et le nombre de ces lames doit donc être pair. Deux balais 24 et 26 s'appliquent sur la surface des lames 18 du commutateur. Ces balais doivent chacun et à tout instant porter sur au moins une lame du collecteur, et ils doivent être diamétralement opposé s de façon à être en contact avec deux lames du collecteur diamétralement opposées. Lorsque l'induit tourne, ses bobinages coupent les lignes de force du champ magnétique qui existe entre les pales des aimants permanents, et une tension dont la valeur instantanée est proportionnelle à la variation du couplage inductif qui la fait natte est induite successivement dans chacun de ces bobinages et détectée par un voltmètre, ou autre détecteur de tension 28 monté entre les balais 24 et 26. Le champ magnétique est étudié de façon que le couplage inductif varie linéairement en fonction de l'angle de rotation de l'induit dans la région où les bobinages sont en contact avec les balais et, par conséquent, la tension recueillie par ces balais est directement proportionnelle à la vitesse instantanée de rotation. Le détecteur de tension 28 peut être un voltmetre, un oscilloscope, un-oscillographe ou un amplificateur selon l'emploi spécifique prévu pour le tachymètre. En vue de réduire les effets inducteurs et la tension ondulante qui en ré- sulte dus au courant I qui circule dans le détecteur de tension et, momentanément, dans les bobinages successifs, l'impédance de ce détecteur doit titre élevée.La mesure très précise des variations d'une vitesse angulaire exige l'emploi non d'un voltmètre mais d'un oscilloscope ou autre appareil à forte impédance et réponse rapide. Un amplificateur étudié pour calculer la dérivée par rapport au temps de la vitesse angulaire peut être utilisé pour fournir une mesure de l'accélération instantanée de rotation. La figure 5 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation du tachymètre de l'invention comportant les mêmes éléments que ceux décrits précédemment et désignés sur cette figure par les mêmes références, la différence entre ce mode de réalisation et le précédent étant que 11 induit 14 est muni d'encoches 23 dans lesquelles sont logés les bobinages 20. Dans ce cas, la construction de l'induit doit être effectuée avec grand soin pour éviter que les discontinuités materielles que constituent les encoches 23 n'introduisent des variations parasites et fonction du temps dans le couplage inductif des bobinages qui sont momentanément en contact avec les balais 24 et 26. Sur les figures 1 à 5, les balais 24 et 26 sont respectivement en contact avec les lames de collecteur nO 1 et nO 9 qui sont respectivement connectées sur l'une et l'autre des extrémités du bobinage nO 1. Il en résulte que la seule tension qui apparat sur ces balais est celle fournie par la bobine nO 1. Cette tension peut avoir une valeur appréciable si chaque bobinage comporte un grand nOmbre de spires. En supposant que, sur les figures, l'induit 14 tourne dans le sens de rotation des aiguilles,d'une montre, les balais 24 et 26 entrent ensuite en contact avec les lames du collecteur N0 2 et NO 10 connectées sur le bobinage NO 2 etsmomentanément, les lames du collecteur NO 1 et NO 2 d'une part et NO 9 et NO 10 d'autre part sont alors reliées l'une à l'autre par des balais 24 et 26 qui les court-circuitent respectivement.Si la tension induite dans la bobine NO 1 est exactement égale à celle induite dans la bobine NO 2 lorsque ladite mise en court-circuit des lames du commutateur se produit, aucun courant ne circule entre les bobinages. Cette égalité des tensions est assurée du fait que les deux bobinages qui sont en contact simultanément avec les balais sont aussi simultanément dans ladite-région prédéterminée. Le fait que les tensions induites sont égales dans les bobinages qui sont momentanément en contact avec les mêmes balais a deux conséquences import'antes. Premièrement, -aucun courant ne circule entre les bobinages qui sont momentanément courtcircuités par les balais. La présence de tels courants introduirait dans les mesures des ondulations indésirables. Deuxième ment les périodes de transition pendant laquelle les balais sont d'abord en contact avec le bobinage NO 1 puis en contact avec les bobinages N 1 et NO 2 et finalement en contact avec le seul bobinage NO 2, ne donnent lieu à aucune variation de la tension aux balais pourvu, évidemment, que la vitesse de rotation mesurée soit parfaitement constante.Il est évident qu'il en est de même pour les autres bobinages lorsqu'ils viennent successivement en contact avec les balais. n sur les balais est ainsi les contact avec les balais. La tension complètement exempte d'ondulations, excepté celles qui pourraient provenir des variations de la vitesse de rotation mesurée et qui sont justement celles que l'on désire détecter. Il est essentiel que la valeur instantanée de la tension induite dans l'un quelconque des bobinages 20 lorsqu'il est en contact avec les balais soit constante si la vitesse de rotation mesurée est constante. Ceci implique que la variation dans le temps du couplage inductif de chacun de ces bobinages doit être constante pour une vitesse de rotation constante donnée.Ce ré- sultat est obtenu en établissant le champ magnétique de façon que le couplage inductif soit une fonction linéaire de l'angle de rotation de l'armature sur la totalité de l'arc sur lequel un bobinage est en contact avec les balais. il est évident que cet angle peut être réduit par augmentation du nombre des bobinages et des lames du collecteur, par réduction de la largeur des balais et par réduction de l'épaisseur des segments isolants interposés entre les lames du collecteur. Sur la figure 2, les arcs sous-tendus par les segments isolants interposés entre les lames du collecteur, par un balai et par une lame de collecteur sont respectivement désignés A, B et C. En vue d'obtenir une tension de sortie exempte d'ondulations pour une vitesse de rotation constante et dans les conditions représentées sur les figures 3 et 4, il est nécessaire que le champ magnétique fournisse un couplage inductif qui varie linéairement sur un arc Q de l'induit égal à B + C. Il est aussi essentiel que l'arc B soit plus grand que l'arc A, c'est-à-dire que l'arc sous-tendu par un balai soit plus grand que l'arc sous-tendu par un segment isolant. Il s'ensuit que, dans un tachymètre dont le collecteur comporte 48 lames et muni de 24 bobinages et de balais dont la largeur est égale à celle de ces lames, l'arc Bdoit pour chacun des pâles du champ magnétique ne pas être inférieur à 15 degrés. La figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention dont les éléments qui correspondent à ceux du tachymètre de la figure 1 sont désignés par les memes références et dans lequel l'une des extrémités de chacun des bobinages 20 est connectée sur une lame 18 du collecteur et dont l'autre extrémité est connectée sur une bague collectrice commune 29 fixée sur l'arbre de l'induit. Un seul balai 24 est dans ce cas en contact avec le collecteur, l'autre balai 26 étant en contact avec la bague collectrice 29. Le collecteur peut avoir un nombre de lames 18 pair ou impair et, dans ce cas, le nombre des bobinages 20 est égal à celui des lames du collecteur.Dans ce mode de réalisation aussi, le champ magnétique créé par les aimants permanents 11 et 12 doit créer un couplage inductif qui varie linéairement en fonction de l'angle de rotation dans la région balayée successivement par les bobinages lorsqu'ils sont momentanément et successivement en contact avec le balai. La figure 7 représente un autre mode de réalisation de l'invention identique à celui de la figure 5 sauf qu'il y est prévu des pôles magnétiques auxiliaires 30 et 31 en vue de neutraliser les effets des variations non linéaires du couplage inductif provenant de l'entrée des encoches 23 dans le champ magnétique créé par les aimants principaux 17 et 12 et de leur sortie de ce champ (les bobinages susceptibles de créer ces variations indésirables étant ceux occupant à l'instant considéré la position des bobinages 3 et 7 sur la figure 7), un choix approprié des dimensions, de la position et de la force magnétique des aimants 30 et 31 permet dlaméliorer de façon significative la linéarité de la variation du couplage inductif en fonction de l'angle de rotation. La largeur des aimants auxiliaires 30 et 31 doit être inférieure à celle des aimants principaux 11 et 12 et de préférence doit être environ égale à la largeur commune des encoches 23. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. - REVENDICATIONS 1 - Tachymètre à courant continu fournissant une tension de sortie exempte d'ondulations et caractérisé en ce qu'il comporte a) un induit; b) une pluralité de bobinages distincts les uns des autres et enroulés autour de l'induit; c) des éléments fournissant un champ magnétique et qui, sur une région prédéterminée de l'induit, créent avec chacun de ces bobinages, un couplage inductif qui varie linéairement en fonction de l'angle de rotation de l'induit; d) des éléments montés sur le tachymètre et recueillant successivement la tension induite dans chacun de ces bobinages à leur passage dans ladite région prédéterminée. c - Tachymètre fournissant une tension de sortie exempte d'ondulations et caractérisé en ce qu'il comporte a) un induit; b) un collecteur monté sur le même axe que l'induit et comportant un nombre pair de segments également espacés les unes des autres et de l'axe de l'induit; c) une pluralité de bobinage, distincts et équidistants les uns des autres, enroulés autour de l'induit, le nombre de ces bobinages étant égal à la moitié de celui des segments du collecteur, et les extrémités de chacun d'eux étant respectivement connectées sur l'un et l'autre de deux segments du collecteur diamétralement opposés;; d) des éléments fournissant un champ magnétique et qui, sur une région prédéterminée de l'induit, créent avec chacun des bobinages un couplage inductif qui varie linéairement en fonction de l'angle de rotation de l'induit; et e) deux balais montés sur le tachymètre situés dans ladite région prédéterminée et placés de façon à etre en contact avec deux segments du collecteur diamétralement opposés pour recueillir successivement la tension induite dans chacun des bobinages à leur passage dans te champ magnétique, ladite région prédéterminée sous-tendant un arc au moins égal à la somme des arcs respectivement sous-tendus par un balai et par un segment du collecteur. 3 - Tachymètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ses dispositifs qui fournissent un champ magnétique constant sont constitués par deux aimants permanents dont les pales de noms opposés se font face et sont respectivement placés sur l'un et l'autre côté de l'induit. 4 - Tachymètre selon la revendication2, caractérisé en ce que chacun de ses bobinages comporte le même nombre de spires. 5 - Tachymètre selon la revendication 2, caractérisé en outre en ce qu'il y est prévu une garniture en matière isolante dans les intervalles qui séparent les uns des autres les segments du collecteur, et en ce que l'arc sous-tendu par ces garnitures isolantes est inférieur à celui sous-tendu par chacun des balais. 6 - Tachymètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que son induit comporte des encoches dans lesquelles sont logés ses bobinages, ces encoches étant étudiées de façon qu1 - elles n'introduisent qu'un minimum de tension parasite dans les bobinages qui sont momentanément en contact avec les balais. 7 - Tachymètre selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte des aimants permanents auxiliaires placés autour-de l'armature en vue de neutraliser les effets des variations non linéaires du couplage inductif produites par l'entrée des encoches de l'armature dans le champ magnétique et par leur sortie de ce champ. 5 - Tachymètre à courant continu fournissant une tension de sortie exempte d'ondulations et caractérisé en ce qu'il comporte a) un induit; b) un collecteur monté sur le même axe que l'induit et comportant une pluralité de segments équidistants les uns des autres et de l'axe de l'induit; c) une bague collectrice montée sur le même axe que I 'induit; d) une pluralité de bobinages distincts et équidistants les uns des autres, enroulés autour de l'induit et dont le nombre est égal à celui des segments du collecteur, l'une des extrémités de chacun de ces bobinages étant connectée sur la bague collectrice et l'autre extrémité sur l'un des segments du collecteur; ; e) des éléments fournissant un champ magnétique qui, sur une région prédéterminéé de l'induit, crée avec chaque bobinage ou couplage inductif qui varie linéairement en fonction l'an- gle de rotation de l'induit; et f) deux balais montés sur le tachymètre, le premier étant en contact avec la bague collectrice et le deuxième avec le collecteur, ce deuxième balai étant situé dans ladite région prédéterminée et placé de façon à recueillir successivement les tensions induites dans les bobinages à leur passage dans ladite région prédéterminée.