Brevet FR2108981A1 — publié le 19720526

Cette invention a fait l'objet d'un contrat entre le "Programme de recherche dans l'automatisation de l'industrie mécanique" et la Socié/te ., et elle concerne un transducteur de vitesse angulaire destiné particulièrement à l'emploi dans la commande automatique de machines-outils. On connatt déjà l'emploi de générateurs de tachymètres comme transducteurs de vitesse angulaire dans les cas où l'on désire avoir un signal électrique représentant la vi tesse d'un arbre en rotation, par exemple dans les systèmes de commande de machines-outils. Le générateur de tachymètre est en mesure de four nit un signal électrique, en particulier une tension éléctrique dont l'amplitude est étroitement proportionnelle à la vitesse angulaire d'un arbre. Mais le générateur de tachymètre présente une quantité d'inconvénients qui limitent l'étendue de son utilisation, et parmi lesquels on peut citer les suivants (a) son prix de revient relativement élevé, qui décourage l'utilisateur pour bien des applications ; (b) sa complexité mécanique relative, en particulier en ce qui concerne le commutateur et les balais, ce qui le rend exposé au dommage et inévitable mcL A l'usure, et nécessite un entretien régulier et des réparations, ce qui réduit son service utile à une période limitée; prend du temps pour le montage complique ; (c) la dépendance critique de la précision du signal électrique fourni par le générateur des caractéristiques magnétiques et électriques des éléments composant le générateur, caractéristiques qui sont sujettes à variations dues à l'âge, ainsi qu'à des variations de tolérances, et (d) le fait que l'indication de vitesse est nécessairement en forme analogique, alors que de nos jours la demande s'oriente vers des indications chiffrées, de sorte que l'emploi d'un générateur de tachymètre rend nécessaire la conversion du signal émis d'indication analogique en indication chiffrée, ce qui augmente encore la complexité générale du système transducteur. Un objet de la présente invention est de proposer un transducteur de vitesse angulaire conçu pour fournir un signal électrique représentant la vitesse angulaire d'un élément en rotation, ce signal étant utilisable dans la commande automatique de machines-outils, et généralement dans toute application où jusqu'à présent un générateur de tachymètre aurait été utilisé. Un autre objet de cette invention est de proposer un transducteur de vitesse angulaire du type précité, constitué de pièces à larges tolérances et dont le montage puisse être fait suivant les techniques de production en masse. Enfin, un autre objet de l'invention est de proposer un transducteur de vitesse angulaire du type précité, qui soit de longue durée et d'un fonctionnement sûr et certain. Le transducteur de vitesse angulaire selon la présente invention est caractérisé principalement par le fait qu'il comprend en combinaison : (a) un alternateur à circuit magnétique comprenant un aimant permanent fixe comportant une bobine fixe et muni de pièces polaires, entre lesquelles une armature ferromagnétique mobile de forme non cylindrique est montée à rotation, la rotation de cette armature donnant lieu à une variation périodique de la réluctance du circuit magnétique et par suite du flux lié à la bobine, ce gui fait que cette dernière fournit un premier signal alternatif proportionnel à la vitesse angulaire de l'armature mobile et (b) un multivibra- teur monos table relié à la bobine pour être excité par le dit premier signal, et disposé pour donner un second signal consistant en un train d'impulsions d'aire constante ayant une fréquence de répétition proportionnelle à la vitesse angulaire. Le transducteur de vitesse angulaire selon l'invention peut aisèment être disposé pour fournir un signal de sortie analogique ou chiffré, suivant ce qu'on désire, de façon à pouvoir convenir d'égale façon à l'emploi dans des circuits de commande du type analogique ou symbolique. Suivant une réalisation de l'invention, le transducteur de vitesse angulaire peut comprendre en outre un filtre passe-bas auquel le second signal est amené, eue filtre étant prévu pour fournir un signal continu d'amplitude proportionnelle à la vitesse angulaire. En variante, le transducteur peut aussi comprendre un circuit de différentiation, auquel le second signal est amené, ce circuit de différentiation étant disposé pour donner une série de très courtes impulsions ayant une fréquence de répétition proportionnelle à la vitesse angulaire. De préférence, l'aimant permanent du transducteur est du type annulaire pour haut-parleurs, et le transducteur comprend un noyau central de matière ferromagnétique et un boitier en matière non magnétique qui maintient ces différentes pièces assemblées. D'autres détails et avantages caractéristiques vont apparaître au cours de la description détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux des sins joints, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale, suivant la ligne 1-1 de la figure 2, d'un alternateur qui fait partie du transducteur de vitesse angulaire suivant une réalisation préférée de l'invention. - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1. - la figure 3 est un schéma de circuit d'une première réalisation d'un circuit faisant partie d'un transducteur selon l'invention. - la figure 4 est un schéma de circuit d'un second circuit suivant une réalisation en variante de l'invention. - la figure 5 montre graphiquement quelques formes d'ondes qui sont utiles pour la compréhension du mode de fonctionnement du transducteur selon l'invention. Si l'on se reporte à la figure 1, on y voit en 10 le bottier d'un alternateur qui fait partie d'un transducteur selon l'invention, et comprend une paroi essentiellement cylindrique 17 en matière non magnétique, ouverte à une extrémité qui est fermée par un chapeau fileté 18. A son autre extrémité, la paroi 17 rejoint une paroi tronconique 19, qui possède un prolongement axial cylindrique creux 21. Le boitier 10 contient un circuit magnétique comprenant un aimant permanent annulaire en ferrite 12 avec magnétisation axiale du type employé dans les haut-parleurs. Une armature annulaire concentrique 20 en matière ferromagnétique, telle que par exemple du fer doux, est superposée à l'aimant annulaire 12 et est munie de pièces polaires 14 ; dans cette réalisation il y a quatre pièces polaires 14 (figure 2). Une armature fixe en forme de disque 23 joint la face de l'aimant annulaire 12 qui est éloignée des pièces polaires 14, et un noyau cylindrique central 22, également en matière ferromagnéti que telle que le ferdoux, est formé d'une seule pièce avec l'armature 23 et s'étend coaxialement à travers le centre de l'aimant 12.Une bobine fixe 13, constituée par un fil conducteur (en cuivre, par exemple), est montée autour du noyau 22. Ces différentes pièces 12, 20, 23 du circuit magnétique sont maintenues assemblées par le chapeau à vis 18, la paroi cylindrique 17 et la paroi tronconique 19 du boitier 10. Les quatre pièces polaires 14 portées par l'armature 20 font saillie radialement vers l'intérieur et, dans l'exemple représenté, sont espacées les unes des autres à intervalles angulaires égaux de 900. Un arbre rotatif 11 s'ajuste dans l'alésage du prolongement cylindrique creux 21 du boiter 10, et présente à son extrémité extérieure un raccord d'accouplement 11a de section prismatique o4Earrée. Un filetage extérieur 21a sur le prolongement 21 permet de monter sur celui-ci un arbre flexible ou autre élément de rotation (non représenté) dont il s'agit d'enregistrer la vitesse angulaire, cet élement formant la transmission motrice avec le raccord 11a pour actionner l'arbre 11. Une gorge circulaire 24 ménagée dans l'arbre 11 contient une bague élastique 25 qui bute contre un épaulement annulaire 26 formé dans le bottier 10 pour empêcher l'arbre 71 de glisser axialement vers l'extérieur du prolongement 21. L'arbre 71 est claveté à son extrémité intérieure à une armature ferromagnétique mobile qui possède quatre pièces polaires 15a espacées angulairement les unes des autres à 900 et placées de façon centrale entre les pièces polaires fixes 14. il est avantageux de placer, comme représenté, un élément de support rotatif; dans ce cas une bille 16, entre le noyau 22 et l'armature 15. La bille 16 est logée dans un évidement correspondant dans l'armature 15 et dans le noyau 22. On notera que des nombres différents de pièces polaires 15a, égaux aux nombres des pièces polaires 14, peuvent être prévus. La paroi cylindrique 17, la paroi tronconique 19 et le prolongement cylindrique 21 du boitier 10 seront avec avantage obtenus par étirage du métal, par exemple de l'alumini- um. la meme remarque s'applique au chapeau 18. L'aimant de ferrite 12, l'armature mobile 15, l'armature fixe 23 et le noyau 22 sont largement utilisés dans la technique électrique, et leurs méthodes de fabrication sont bien connues. Le prix de revient global de ces éléments de l'alternateur est par conséquent bas. De plus, aucun de ces éléments ne nécessite un usinage très précis. Par exemple, la largeur de l'entrefer n'est pas un point critique, et des variations relativement grandes entre les entrefers relatifs aux quatre paires de pièces polaires 14 et 15a sont tolérables. L'assemblage de l'alternateur est aussi relativement simple et rapide, et ne nécessite pas l'habileté de spécialistes. L'arbre Il est introduit par l'extrémité ouverte du boi- tier 10, avec l'armature 15 déjà clavetée sur l'arbre 11, et la bague élastique 25 déjà en place sur celui-ci. L'armature 20 est ensuite mise en place, à n'importe quelle position angulai re a bitrairement adoptée, jusqu'à ce qu'elle porte contre la paroi tronconique 19. L'aimant de ferrite 12 est placé ensuite, et enfin l'armature 23 est introduite avec le noyau 22, la bobine 13 ayant été préalablement fixée, par exemple à l'aide d'un adhésif, au noyau 22.Les bouts de l'enroulement 13 sont conduits à l'extérieur le long d'une gorge (non représentée) dans l'armature 23 et par une fente dans la paroi cylindrique 17 du boîtier 10. Le chapeau fileté 18 est finalement vissé sur la paroi cylindrique 17, poussant les divers éléments du générateur en contact les uns avec les autres. L'arbre Il est tiré vers l'intérieur du boitier, pour venir buter contre la bille 16, par l'attraction entre l'armature mobile 15 et l'armature fixe 23. Le fonctionnement d'une première réalisation préférée de l'invention va maintenant être décrit avec référence à la figure 3. Dans cette première réalisation, le signal de sortie du transducteur 10 des figures 1 et 2 est transmis à un multivibrateur monostable 30 de n'importe quel type convenable, celui qui est représenté ayant deux transistors avec des émetteurs communs. La sortie du multivibrateur 30 est conduite dans un filtre passe-bas 32 qui donne un signal de sortie uti- lisable U. La figure 5 représente des formes diondes successives du signal à mesure qu'il progresse à travers le circuit de la figure 3. Le flux magnétique, dans le circuit magnétique, oscille autour d'une valeur moyenne m, comme représenté au graphique (, t), ayant une forme d'onde quelque peu carrée, en haut de la figure 5. Dans le graphique suivant (E, t) on a tracé la forme d'onde correspondante de la puissance électromotrice E de l'alternateur mesurée aux bornes de la bobine 13.Les pointes négatives (ou les positives, suivant la connexion des éléments de circuit) de la tension E aménent périodiquement le multivibrateur monostable 30 à passer dans son état instable, dans lequel il demeure pendant un intervalle de temps fixé avant de retourner à son état stable, fournissant ainsi un train d'impulsions V à une fréquence de répétition directement proportionnelle à la vitesse angulaire de l'arbre Il et, par conséquent, de l'élément rotatif accouplé à l'arbre 11. Les impul sions (V, t) sont de largeur, hauteur et surface constantes, leur fréquence de répétition étant égale à la fréquence de tension du signal E d'où elles sont dérivées.Par le filtrage des impulsions de signal V, dans le filtre 32, on obtient une tension continue ayant une amplitude U proportionnelle à la vitesse angulaire devant etre mesurée. Si les impulsions de tension V devaient être amenées à un instrument ayant des caractéristiques d'intégrateur, par exemple un ampèremètre à valeur moyenne, le filtre passe-bas 32 pourrait alors être omis, puisque, l'instrument lirait alors directement la tension continue intégrée U. La figure 4 montre une variante du circuit de la figure 3. Dans ce cas, au lieu du filtrage des impulsions de tension de sortie V du multivibrateur 30, cette sortie est différenciée pour donner une série d'impulsions S ayant une fréquence de répétition proportionnelle à la vitesse angulaire à mesurer et ayant une forme constante convenant particulièrement pour de nouvelle opérations (forme d'ondes du bas de la figure 5). Cette série d'impulsions peut être amenée à un conjoncteur, un fré quencemètre ou autre circuit à indication symbolique, pour l'utilisation désirée. il est par conséquent possible, avec de simples modifications de circuit, de produire un signal de vitesse angulaire, soit sous forme analogique : c'est le signal U fourni par le filtre passe-bas, soit sous forme symbolique dérivée, par exemple les signaux V ou S. Comme déjà mentionné, les pièces polaires 14 et 15 délimitent un entrefer à travers lequel passe le flux magnétique produit par l'aimant permanent 12. En d'autres termes, l'aimant permanent 12, l'armature 20 portant les pièces polaires, l'armature mobile 15, le noyau 22 et l'armature fixe 23 constituent un circuit magnétique dont la réluctance varie en accord avec la position angulaire de 11 armature mobile ferromagnétique 15 relativement à l'armature fixe 23, cette réluctance étant au minimum quand l'entrefer est au minimum, c'est-à-dire quand les pièces polaires 15a de l'armature 15 sont en alignement avec les pièces polaires 14. Quand l'armature mobile 15 est mise en rotation par l'arbre 11, cette réluctance présente une variation périodique, accompagnée d'une variation correspondante du flux engendré par l'aimant permanent 12 et conduit à la bobine 13. En conséquence la bobine 13 débite une tension E variant périodiquement dont la fréquence est proportionnelle, avec une constante de proportionnalité dépendant du nombre de pièces polaires, à la vitesse de rotation de l'armature mobile 15. On notera que des détails de réalisations particulières de l'invention peuvent eAtre largement modifiés et différer de ce qui vient d'être décrit et illustré par les dessins à titre d'exemple, sans pour cela aller au-delà de l'étendue de l'invention. - REVENDICAtIONS 1. Transducteur de vitesse angulaire, destiné particulièrement à l'emploi dans des machines-outils automatiques, caractérisé en ce qu'il comprend - un alternateur comportant un circuit magnétique composé d'un aimant permanent fixe avec adjonction d'une bobine fixe, et muni de pièces polaires avec lesquelles une armature ferromagnétique mobile de forme non cylindrique est montée à rotation, la rotation de cette armature donnant lieu à une variation périodique de la réluctance du circuit magnétique et par suite du flux conduit à la bobine, de sorte que celle-ci donne un premier signal alternatif proportionnel à la vitesse angulaire de l'armature mobile, et - un multivibrateur monostable relié à la bobine pour tre excité par ce premier signal, et disposé pour fournir un second signal consistant en un train d'impulsions d'aire constante ayant une fréquence de répétition proportionnelle à la dite vitesse angulaire. 2. Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un filtre passe-bas, auquel est amené le second signal, ce filtre étant constitué pour fournir un signal continu d'une amplitude proportionnelle à la vitesse angulaire. 3. Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un circuit de différentiation auquel le second signal est amené, ce circuit de différentiation étant constitué pour donner une série de très courtes impulsions ayant une fréquence de répétition proportionnelle à la vitesse angulaire. 4. Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend encore un instrument intégrateur auquel le second signal est amené, cet instrument étant constitué pour donner une sortie représentant la vitesse angulaire. 5. Transducteur suivant l'une. quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'aimant permanent est du type annulaire utilisé dans les hauts-parleurs et est muni d'une armature fixe, d'un noyau central et de pièces polaires en saillie radiale. 6. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'armature ferromagnétique mobile est pourvue de pièces polaires correspondant aux pièces polaires de l'aimant permanent. 7. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'armature ferromagnétique mobile est clavetée à l'extrémité d'un arbre prévu pour entre accouplé, à son autre extrémité, à un élément rotatif dont la vitesse angulaire doit être enregistrée. 8. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'armature feP- romagnétique mobile est juxtaposée à un noyau central de l'aimant fixe, et qu'entre ces pièces juxtaposées il est intercalé un élément de support sphérique rotatif.