Brevet FR2195784A1 — publié le 19740308

L'invention concerne un capteur de déplacement permettant de concertir un déplacement angulaire, variant dans une large gamme, en un signal électrique Dans un capteur de déplacement connu, une bobine de détection, disposée sur un corps magnétique annulaire s'étant sur toute la périphérie de celui-ci et forme le stator. Le sens d'enroulement d'une moitié de la bobine de détection est opposé au sens d'enroulement de l'autre moitié de la bobine. Une bobine d'excitation est enroulée autour d'un aimant en forme de tige et cet aimant est disposé à l'intérieur du stator en tant que rotor. La bobine d'excitation est excitée par une source de tension alternative, et le rotor est entraîné en rotation en correspondance avec le déplacement angulaire à mesurer.La bobine de détection qui est enroulée autour du stator fournit alors à ses bornes un signal électrique qui correspond à l'angle de rotation. Un tel capteur de déplacement présente cependant l'inconvénient qu'un déplacement angulaire supérieur à 1800 ne peut plus titre transformé en un signal électrique et que la bobine de détection doit entre enroulée sur la périphérie du corps magnétique avec une grande précision lorsque l'on souhaite obtenir un capteur possédant une précision suffisante. On connatt en outre des ponts magnétiques comportant deux circuits de fer qui sont reliés magnétiquement au moyen d'une culasse qui est commune aux deux circuits. La culasse est insérée dans les circuits magnétiques en prévoyant des entrefers à air aux deux extrémités, et est entratnée mécaniquement en correspondance avec le trajet à déterminer. De ce fait, la répartition du champs dans les deux circuits varie et est recueillie par une bobine de détection pour entre transformée en un signal électrique. Cependant, ce capteur de déplacement ne permet de mesurer que des déplacements ou des angles de rotation très faibles. La présente invention se propose de réaliser un capter de déplacement perfectionné dans lequel les inconvénients décrits ci-dessus n'apparaissent pas. Le capteur de déplacement suivant l'invention est de construction simple et son cotit de réalisation est faible. I1 permet théoriquement de transformer un mouvement de rotation s'étendant sur un angle de 360" en un signal électrique. Le montage des bobines sur le corps magnétique ne nécessite pas une grande précision. Les capteurs de déplacement suivant l'invention sont le siège d'un flux magnétique créé dans un circuit de fer par une bobine à induction et se fermant par un entrefer à air, ce flux agitant sur une bobine de détection en correspondance avec le déplacement à déterminer. Le capteur de déplacement suivant l'invention se caractérise par le fait qu'il comporte deux corps magnétiques annulaires disposés coaxialement et entre lesquels est ménagé un entreger annulaire, une bobine d'aimantation, excitée par une tension alternative qui est disposée dans ltentrefer, une bobine de détection servant à déterminer le flux magnétique qui traverse un des corps magnétiques annulaires, des moyens servant à la fixation de la bobine d'aimantation ou de la bobine de détection et d'autres moyens entraînant la bobine qui n'est pas fixée autour de l'axe du corps magnétique, en correspondance avec l'angle à mesurer. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation particulières données à titre d'exemples et représentées au dessin annexé dans lequel Les figures 1A, 2A et 1B et 2B représentent respectivement une vue de dessus et une vue en bout partiellement en coupe, suivant la ligne X-X de la vue de dessus, de deux formes de réalisation différentes du dispositif suivant l'invention. La figure 3 représente la caractéristique de conversion de la forme de réalisation représentée dans les figures 2A et 2B. Les figures 4 et 5 sont des graphiques utilisés pour expliquer le mode de fonctionnement des dispositifs représentés dans les figures 1A, 13 et 2A, 2B. Les figures 6A, 7A et 6B, 7B représentent respectivement une vue de dessus et une vue de face, partiellement en coupe suivant la ligne X-X des figures 6A et 7A,de deux autres formes de réalisation de l'invention. Les figures 1A et 1B représentent une première forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. Deux corps magnétiques annulaires 1 et 2 sont disposés concentriquement autour d'un arbre 8 qui est entraîné en rotation en correspondance avec l'angle à mesurer. Les corps magnétiques annulaires sont reliés par l'intermédiaire d'une culasse 3 qui est montée à un endroit prédéterminé de la périphérie. Les corps 1 et 2 sont constitués par exemple par des tales de noyau, de la ferrite ou un matériau magnétique pulvérulent qui est aggloméré à l'aide d'une résine synthétique. L'arbre e n'est pas constitué par un maté riau magnétique. La bobine d'aimantation 4, comportant N1 spires, est disposée sur la culasse 3 et raccordée à une source de tension alternative non représentée.La bobine d'aimantation 4 est entourée par une plaque de protection 5. Une bobine de détection 6, comportant N2 spires,est disposée sur le corps magnétique annulaire 2 de façon à pouvoir se déplacer autour de ce corps magnétique 2. La bobine de détection 6 est reliée rigidement à l'arbre 8 par le bras 7. De ce fait, la bobine de détection tourne autour du corps magnétique 2 en correspondance avec l'angle de rotation à mesurer. Le bras 7 n'est pas constitué par un matériau magnétique. On va maintenant décrire le mode de fonctionnement de cette forme de réalisation de l'invention. Lorsqu'une tension alternative El est appliquée à la bobine d'aimantation 4, un courant Il circule dans la bobine et produit un flux magnétique qui circule principalement dans les corps magnétiques. Le nombre des lignes de force magnétiques peut titre donné par = = NlIl/R (1) NlIl étant exprimé en ampères tours et R étant la résistance du circuit magnétique qui est constitué par la culasse 3, les corps magnétiques annulaires 1 et 2 et l'entrefer à air annulaire 9 qui se trouve entre les corps magnétiques 1 et 2. Leslignes de force magnétiques partent corps magnétique 2 en direction du corps magnétique 1 dans l'entrefer à air 9, et du corps magnétique 1 vers le corps magnétique dans la culasse 3. La répartition du flux magnétique dans l'entrefer à air est uniforme lorsque les conditions 1 et 2 suivantes sont satisfaites. 1- Les corps magnétiques annulaires 1 et 2 sont constitués par des substances magnétiques semblables possédant une perméabilité spécifique extrtmement élevée. 2- La longueur radiale Q de l'entrefer à air 9 entre les corps magnétiques annulaires 1 et 2 est uniforme sur sa circonférence, et les sections transversales radiales des corps magnétiques annulaires 1 et 2 sont uniformes sur toute la circonférence de l'anneau. Lorsque la perméabilité spécifique des corps magnétiques 1 et 2 est extrtmement élevée, la résistance magnétique des corps magnétiques annulaires peut titre négligée par rapport à la résistance de entrefer à air 9. Par conséquent, la résistance R figurant dans la relation(l)est aéterminée principalement par la résistance de l'entrefer à air 9. Etant donné que les deux corps magnétiques 1 et 2 sont disposés c ncentriquement, la lon- tueur radiale r de entrefer à ai 9 sur t ute sa longueur péri sphérique est uniforme et la section transversale efficace du trajet magnétique dans l'entrefer à air 9 est également uniforme sur toute la périphérie.Par conséquent, la résistance de l'entrefer à air est uniforme sur toute la circonférence et le flux magnétique est réparti de façon uniforme dans l'entrefer à air 9. En supposant que l'écran magnétique 5 recouvre un angle égal à 2 ez et que le flux de dispersion dans cette zone est faible, le flux magnétique, rapporté à l'unité d'angle, dans lten- trefer à air, dans la zone où la répartition est uniforme, peut titre exprimé par Le flux magnétique produit par la bobine d'aimantation 4 est divisé en deux parties qui passent dans les deux moitiés du du corps magnétique anulaire 2, en correspondant avec les trajets 21 et 22. Le flux magnétique suivant les trajets 21 et 22 décroît, par suite du flux de fuite réparti, avec un taux égal à 9, rapporté à l'unité d'angle, jusqu'à ce que le nombre des lignes de force magnétique s'annule finalement au point A.Le nombre +.N 2 des lignes de force magnétique qui coupent la bobine de détection 6 qui forme un angle &commat; par rapport au point A,est est donné par #. N2 = #.# (3) et la tension E2, qui est induite dans la bobine de détection 6 est donnée par E2 = N2 d ftN2 (4) dt en tenant compte des relations(2)et(3j,la relation(4)peut s'écrire: Si l'on suppose que tout le flux magnétique 0 est dû à la bobine d'aimantation disposée autour de la culasse 3, on peut écrire N1.; = Lil (6) L étant l'inductance propre de la bobine d'aimantation 4. Lorsque la résistance ohmique r et la réactance CUL de l'impédance alternative de la bobine d'aimantation 4 satisfont à la relation(7)suivante, on obtient la relation(8): wL Zbr (7) El - L.d I1 Tt Par conséquent, la relation 5 peut alors s'écrire La relation précédente montre que l'on peut prélever à la sortie de la bobine de détection 6 une tension alternative E2 qui est proportionnelle à l'angle de rotation e de l'arbre 8. La figure 2 représente une autre i rme de réalisation de l'invention suivant laquelle deux corps magnétiques 1 et 2 sont disposés coaxialement de façon que le corps magnétique 2 se trouve à l'intérieur du corps magnétique 1. Dans cette forme de réalisatison, la bobine de détection 6 est montée de façon fixe autour du corps magnétique anulaire 2, et la culasse 3 peut se déplacer librement dans l'entrefer à air 9 qui est ménagé entre les deux corps magnétiques 1 et 2. Une bobine d'aimantation 4 est enroulée sur la culasse 3, et celle-ci est reliée mécaniquement, rar l'intermédiaire du bras 71, à l'arbre 8 cotncidant avec l'axe central des corps magnétiques 1 et 2.La bobine d'aimantation 4 disposée sur la culasse 3 est entrainée er rotation autour de l'arbre 8 en correspondant avec l'angle de rotation à mesurer, et il apparatt à la sortie de la bobine de détection une tension alternative qui correspond avec l'angle de rotation. La figure 3 représente graphiquement la relation entre un angle de rotation e et la tension alternative E2 apparaissant à la sortie de la bobine de détection 6. Les valeurs portées dans ce graphique sont des valeurs relevées expérimentalement dans un capteur de déplacement suivant l'invention. Dans cet exemple, les valeurs des constantes apparaissant dans le coefficient K de ltéquiation 9 sont choisies de la façon suivante N1 5 200 N2 = 80 E1 = 0,9 V K = 0,18 /r (V/rad) Les corps magnétiquesannulaires utilisés dans ce cape teur de déplacement sont constitués par des t8les feuilletées et les tales possédent une perméabilité spécifique très élevée. Dans les exemples représentés dans les Ligures 1A, 1B et 2A, 2B,la répartition uniforme du flux magnétique dans l'entrefer à air est obtenu grâce à l'utilisation de corps magnétiques anulaires concentriques constitués par un matériau possédant une perméabilité spécifique élevée. Dans le cas où l'on utilise des ttlesfeuilletées, l'expérience a prouvé que la perméabilité spécifique doit être égale ou supérieure à 4 000. Par suite de la présence de l'entrefer à air dans le circuit magnétique, l'inductance propre L de la bobine d'aimantation 4 peut ne pas être suffisamment importante pour satisfaire à la relation(7 > ,à moins que la fréquence f de la tension alternative soit augmentée de façon à obtenir une valeur w = 2 t f plus importante.Cependant, lors- que la fréquence f est très élevée, de nombreux matériaux magnétiques ne présentent plus une perméabilité supérieure à 4 000. Pour obtenir une répartition uniforme du flux magnétique dans l'entrefer à air, on propose par conséquent de disposer les corps magnétiques 1 et 2 de la façon décrite ci-dessous. Lorsque l'inductance magnétique spécifique est relativement faible, les résistances magnétiques des corps 1 et 2 peuvent être négligés par rapport à la résistance de l'entrefer à air 9. Par conséquent, la répartition du flux magnétique dans l'entrefer à air 9 de la forme de réalisation de la figure 1 varie de la façon reprép sentée dans la figure 4, et le flux magnétique qui est dû à la bobine de détection 6 varie en correspondance avec la figure 5. Par conséquent, la tension induite E2 dans la bobine de détection 6 n'est plus proportionnelle à l'angle de rotation. Comme représenté dans la figure 4, le flux magnétique de dispersion par unité d'angle augmente dans l'entrefer à air plus la position de mesure est proche de la bobine d'aimantation 4. La répartition du flux magnétique dans l'entrefer à air 9 est par conséquent sensible ment uniforme lorsque la longueur radiale t augmente de façon cons- tante, en partant d'une valeur plus faible au point A situé sur la ligne médiane pour arriver à une valeur maximale au voisinage de la bobine d'aimantation 4.Dans cette forme de réalisation particulière, le corps magnétique anulaire 2 est légèrement décalé radialement par rapport au point A La figure 6 représente encore une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle les corps magnétiques annulaires 1 et 2 sont disposés coaxialement l'un au dessus de l'autre. Les corps magnétiquesannulaires 1 et 2 sont de nouveau constitués par une ferrite, des tôles individuelles ou un matériau pulvérulent, comme décrit ci-dessus, et ont des dimensions identiques. Une culasse 3 est disposée dans l'entrefer à air 9, entre les corps 1 et 2, et la bobine d'aimantation 4 est enroulée sur cette culasse 3. Une bobine de détection 6 est montée de façon à pouvoir se déplacer sur la surface du corps magnétique 1, comme dans la forme de réalisation représentée dans les figures 1A et 1B. La bobine de détection 6 est reliée mécaniquement à l'arbre 8, par l'intermédiaire du bras 7. Le mode de fonctionnement de cette forme de réalisation est similaire à celui de la forme de réalisation représentée dans les figures 1A et 1B. Les figures 7A et 7B représentent une dernière forme de réalisation de l'invention suivant laquelle deux corps magné tiquesannulaires 1 et 2 sont agencés d'une façon similaire à celle représentée dans les figures 6A et 6B. Cependant, le corps magnétique annulaire 1 est relié mécaniquement à l'arbre 8, par l'intermédiaire du bras 7, et un convertisseur magnéto-électrique, par exemple un élément 61 magnéto-résistif, est logé dans le corps magnétiqueannulaire 1. Chaque variation du flux magnétique dans le corps annulaire 1 se traduit par une variation de la résistance de l'élément 61. Cette forme de réalisation permet de déterminer un angle de rotation de 1' arbre 8 en mesurant la variation de la résistance électrique de l'élément 61. Au lieu d'utiliser un élément magnéto-résistif, on peut aussi utiliser un générateur de Hall, qui est logé dans le corps magnétique 1, pour déterminer le flux magnétique. D'après ce qui précède, on voit que la présente invention permet de convertir en un signal électrique un angle de rotation pouvant varier dans une plage voisine de 360 degrés. Le capteur de déplacement suivant l'invention est en outre de construction très simple. REVENDICATIONS 1) Capteur de déplacement, permettant de convertir un déplacement angulaire en un signal électrique, dans lequel circule un flu:: magnétique créé dans un circuit de fer,par une bobine d'induction, ce flux se fermant par un entrefer à air et agissant sur une bobine de détection en correspondance avec le trajet à détecter, caractérisé par le fait qu'il comporte deux corps magnétiquesani- laires disposés coaxialement de façon à ménager un entrefer à air magnétique entre ces deux corps, une bobine d'aimantation excitée par une tension alternative et disposée dans l'entrefer à air, une bobine de détection destinée à déterminer le flux magnétique qui traverse un des corps magnétiques annulaires, des moyens permettant de fixer rigidement la bobine d'aimantation ou la bobine de détection, ainsi que des moyens pour entraîner en rotation la bobine qui n'est pas fixée autour de l'axe commun des corps ma cinétiques en correspondance avec l'angle à mesurer. 2) Capteur de déplacement suivi t la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux corps magnétiques annulaires peuvent entre de diamètresdifférentset qu'ils sont disposés dans le meme plan, l'un à l'intérieur de l'autre. 3) Capteur de déplacement suivant la revendication 1, caracté::isé par le fait que les deux corps magnétiques annulaires possèdent des diamètres identiques et sont disposés coaxialement l'un au-dessus de l'autre. 4) Capteur de déplacement suivant les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait qu' il comporte une culasse supportant la bobine d'aimantation et disposée sur les corps magnétiques annUlaires au-dessus de l'entrefer à air ou relié mécaniquement aux corps magnétiques, et que la bobine de détection entourant un des corps magnétiques peut être entraînée en rotation autour de l'axe central, en correspondance avec l'angle à mesurer. 5) Capteur de déplacement suivant les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que la bobine de détection est fixée rigidement sur l'un des corps ma gnétiquesannulaireset qi' necuasse suppsrtan. la bobine d'aimanta- tion et reliant les deux corps magnétiques, respectivement par l'intermédiaire d'un entrefer à air, peut autre entratnéeen rota tison autour de l'axe central, en correspondance avec l'angle à mesurer. 6) Capteur de déplacement suivant les revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que les deux corps magnétiquesannulaires sont disposés de façon que l'entrefer à air situé entre ces deux corps, à l'exception d'une partie en regard avec la culasse, augmente des deux côtés jusqu'à la culasse. 7) Capteur de déplacement suivant les revendications 1 à 6 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que la bobine d'aimantation est entourée par un blindage magnétique.