Brevet FR2194945A1 — publié le 19740301

L'invention concerne un capteur de déplacement permettant de convertir un déplacement angulaire variant dans une large gamme en un signal électrique. On connaît un capteur de déplacement dont le circuit de fer fermé est constitué par quatre branches disposées rectangulairement, dans lequel une bobine d'aimantation crée un flux magnétique. Une bobine de court-circuit,se décalant en correspondance avec le déplacement à détecter, est montée sur une branche tandis que des bobines de détection sont nontées sur les branches voisines. L'allure du flux dans les bobines de détection dépend de la position de la bobine de court-circuit ou de son écart par rapport aux bobines de détection. Cependant, un tel dispositif permet uniquement de mesurer des déplacements linéaires mais non des déplacements angulaires. La p-césente invention se propose de réaliser un capteur de déplacement de construction simpl?, utilisable en particulier pour déterminer un angle de rotation, cet angle pouvant étre déter- miné dans une plage d'approximativement 360" et pouvant etre converti en un signal électrique. te circuit de base utilisé suivant l'invention est un capteur de déplacement dans lequel l'allure du flux magnétique, créé dans le circuit de fr par une bobine d'induction, à l'intérieur d'au moins une bobine d3 détection dépend de la position d'une bague de court-circuit. L'invention se caractérise par le fait que le circuit de fer est constitué par deux corps magnétiques annulaires disposés coaxialement de façon à ménager un entrefer à air annulaire entre ces deux corps, et qu'une culasse, munie d'une bobine d'aimantation créant le champ ragnétique, est dispose dans cet entrefer à air. La bague de court-circuit ou la bobine d'aimantation et la bobine d détection sont entrainées en rotation en fonction de l'angle de rotation à mesurer, et le signal fourni par la bobine de détection est mesuré. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de plusieurs formes de réalisations particulières données à titre d'exemple et représentées au dessin annexé dans lequel Les figures 1 A, 1 B et 2 A, 2 B 'eprésentent respecti- vement des vues en plan et des vues de face, partiellement en coupe suivant les lignes X-X des figures 1 A et 2 A, de deux formes de réalisation d'un capteur de déplacement suivant l'invention. Les figures 3 A, 5 A, 6 A et 3 B, 5 B, 6 B représentent respectivement des vues en plan et des vues de face, partiellement en coupe suivant la ligne X-X des figures 3 A, 4 A et 6 A, de différentes formes de réalisations de l'invention dans lesquelles deux corps magnétique annulaires sont disposés l'un au-dessus de l'autre. Les figures 4 A, 4 B et 4 C représentent respectivement une vue en plan, une vue de face partiellement en coupe, suivant la ligne X-X de la figure 4 A, et une vue en coupe d'une partie importante d'une autre forme de réalisation de l'invention. Dans les figures 1 A et 1 B, deux corps magnétiques annulaires 1 et 2 sont disposés concentriquement, le corps 2 se trouvant à l'intérieur du corps 1. Un arbre tournant 6, disposé au centre de l'ensemble, peut se mouvoir en correspondance avec le déplacement angulaire à mesurer. Les corps magnétiques 1 et 2 peuvent etre constitués par des tôles, de la ferrite ou une poudre magnétique aggloméré avec une résine synthétique. Les corps 1 et 2 sont réunis par une culasse 3 sur laquelle est disposée une bobine d'aimantation 4. Cette bobine possède N1 spires et est ali mentée par une source de tension alternative. Elle est en outre recouverte par un écran 10.Lors de l'excitation de la bobine par la source de tension alternative, il s'établit un circuit magnétique à travers les corps magnétiques 1 et 2 et l'entrefer à air 9 situé entre ces corps 1 et 2. Deux bobines de détection 81 et 82 sont disposées sur le corps 2, au voisinage des extrémités de la bobine d'aimantation 4. Les deux bobines 81 et 82 possèdent N2 spires et sont branchées suivant un montage différentiel. Sur l'autre corps magnétique 2 est disposée une bague de court-circuit 5 qui est reliée à l'arbre 8 par l'intermédiaire d'un bras 7. La bague de court-circuit peut etre déplacée sur la périphérie du corps magnétique 2. Lorsque l'arbre 6 tourne n correspondance avec le déplacement angulaire à mesurer, la bague de court-circuit se déplace sur le corps magnétique 2. L'arbre 6 et le bras 7 ne sont pas constitués par un matériau magnétique. On va maintenant décrire le mode de-fonctionnement du capteur de déplacement représenté dans les figures 1 A et 1 B. On supposera que la bobine d'aimantation 4 reçoit une tension El et fournit un courant d'aimantation I1. On obtient par conséquent dans le circuit magnétique un flux donné par 8 - NI Ni.ii/R étant la résistance magnétique provenant de la résis- tance de la bobine d'aimantation. des corps magnétiques 1 et 2 et de l'entrefer à air 9 entre les deux corps magnétiques. L flux magnétique est dirigé du corps magnétique 2 vers le corps magnétique 1 dans l'entrefer à air 9 et du corps magnétique 1 vers le corps magnétique 2 dans la culasse 3. On peut obtenir une répartition uniforme du flux magnétique dans l'entrefer à air 9 avec les deux conditions suivantes 1.Les corps magnétiques 1 et 2 doivent avoir les mêmes propriétés et posséder une perméabilité spécifique extremement élevée. 2. La longueur radiale 1 de l'entrefer à air entre les corps annu laires 1 et 2 doit être constante sur la périphérie, et les sections transversales des corps 1 et 2 doivent être identiques et être constantes sur toute la périphérie. Lorsque la perméabilité des corps magnétiques annulaires 1 et 2 est très élevée la résistance magnétique des corps 1 et 2 peut etre négligée par rapport à la éristance de l'entrefer à air 9. Ainsi. la résistance magnétique R dans la relation (1 est déterminée principalement par celle de l'@ntrefer à air. par consé quent, la résistance magnétique dans la direction radiale de 11 entrefer à air est constante sur tout l'angle de rotation de 3600 et la répartition du flux est uniforre. En supposant que écran 10 occupe un angle égal à 2 7t et que le flux de dispersion dans cet écran est négligeable. par suite de la répartition uniforme du flux magnétique, ce flux magnétique par unité d'angle dans l'entrefer à air O est donné par la relation suivante # - #/2 (# - &alpha;) (2) Si l'on suppose en outre qu'un flux #1 est lié à la bobine d3 détection 81 et qu'un flux y2 est lié à la bobine de détection 82, la dispersion par unité d'angle des flux magnétiques #1 et #2 est égale à # jusqu'à ce que les flux deviennent nuls au niveau de la bague de cou-t-circuit 5. Si l'angle de rotation e de la bague de court-circuit 5 est mesuré à paritr de la ligne X-X. les flux magnétiques #l @t #2 qui sont dirigés en sens opposés. peuvent @tre exprimés par les relations suivantes #l = (# - &alpha; - # (3) #2 = (# - &alpha; - # (4 Etant donné que les bobiner de détection 81 et 82 comportent le méme nombre de spires, qu'elles sont bobinées dans des sns opposés . le flux magnétique résultant qui est lié aux bobines peut ètre exprimé par #O - #2 - #1 - 2 # # (5) La tension induite E2 dans les bobines est alors E2 = N2 d'# 0 (6) dt En tenant compte des relations (1 et (5 , la relation (6 devent # ## E2 = N2 (7) # - &alpha; dt Si l'on suppose que tout le flux magnétique est lié à la bobine d'aimantation, il vient N1. - LI1 (8' L est l'induction propre d la bobine d'aimantation 4. Lorsque l'inductance wL et la résistance r de la bobine d'aimantation 4 sont liées par la relation(9) on obtient la relation(10) suivante #L r (9) E1 = L (10) dt En tenant compte des relations (8 et (10), la relation (7 devient # N2 E1 E2 = # # # - &alpha; N1 Soit @ E2 = K # (11) E1 N2 K = # = constante # - &alpha; N1 La relation (11) montre que la tension alternative E2, proportionnelle à l'angle de rotation de l'arbre 6, peut être prélevée à partir des deux bobines de détection. On va maintenant considérer les bobines de détection elles-mêmes. Dans la bobine de détection 81 apparait un tension induite E21 donnée par E 21 = K1 - K2 # avec .K1 = # K2 = # # 2 N1 2 N1 # - &alpha; De la même façon dans la bobine de détection 82 il apparaît une tension induite E22 donnée pa' E22 - K1 + K2 # (13) Les relations (12) et '13) permettent de voir que, lorsque la quantité K1 peut etre compensée. on peut obtenir une tension correspondant à l'angle de @otation à la sotie des bobines de détection. Dans ce cas. il n'est pas nécessaire d'utilise une seconde bobine de détection. Les figures 2 A et 2 B @eptésentent une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle les deux corps magnéti- ques annulaires 1 et 2 sont indépendants, sans être couplés mutuel lement par l'intermédiaire d'une culasse comme c'est le cas dans la figure 1. Une bobine d'aimantation 4 est disposée sur une culas se qui est disposée de façon flottante dans l'entrefer à air entre les deux corps annulaires 1 et 2. Une bague de court-circuit 5 est disposée sur le corps magnétique 2 et est reliée mécaniquement à l'arbre 6 par l'intermédiaire du bras 7.Dans cette forme de réalisation, la bague de court-circuit 5 et le corps magnétique annulaire 2 sont entraînés simultanément en rotation par l'arbre 6, en correspondance avec la rotation angulaire à mesurer, et le signal de sortie électrique est prélevé à partir de la ou des bobines de détection disposées sur le corps magnétique 1. Dans une autre forme de réalisation, représentée dans les figures 3 A et 3 B, les corps magnétiques annulaires 1 et 2, sont disposés l'un au-dessus de l'autre. Ils sont constitués de nouveau, comme on l'a déjà vu, par des tôles ou de la ferrite et possèdent un diamètre et des dimensions identiques. Ils sont reliés rigidement à l'aide d'une culasse 3 qui est disposée dans l'entrefer à air 9 et sur laqualle est disposée une bobine d'aimantation 4. Deux bobines de détection 81 et 82 sont disposées sur le corps magnétique 1. Le mode de fonctionnement de cette forme de réalisation est identique à celui de la forme de réalisation représentée dans les figures 1 A et 1 B. Dans la forme de réalisation représentée dans les figures 4 A. 4 B et 4 C, la bague de court-circuit est reliée rigidement au corps magnétique annulaire 1. Les bobines de détection 81 et 82, qui entourent le corps magnétique 1, sont séparées par un entrefer à air 80 de ce corps magnétique 1, de façon à pouvoir se déplacer librement par rapport à ce corps magnétique. En outre, les bobines de détection 81 et 82 sont couplées mécaniquement avec l'arbre tournant 6 par l'intermédiaire des bras 71 et 72. La culasse 3 disposée dans l'entrefer à air 9, supporte la bobine d'aimantation 4 et n'est pas couplée mécaniquement aux corps magnétiques. La culasse sur laquelle se trouve la bobine d'ainan- tation est reliée à l'arbre 6 par l'intermédiaire d'un bras 73. I1 en résulte que les bobines de détection et la bobine d'aimantation tournent en même temps que l'arbre 6 sur la périphérie du corps magnétique 1. Dans la forme de réalisation représentée dans les figures 5 A et 5 B, les deux corps magnétiques annulaires 1 et 2 ne sont pas non plus reliés par la culasse 3. La bague de court-circuit 5 est fixée sur le corps magnétique 1, de sorte que le corps 1 et la bague de court-circuit 5 sont entraînés simultanément en rotation par l'arbre 6. La détection des flux magnétiques dans le corps magnétique 2 se fait à l'aide de transducteurs magnéto-électriques, par exemple des éléments magnétorésistifs 91 et 92 qui sont logés dans le corps magnétique 2 de part et d'autre de la bobine d'aimantation 4. Les éléments magnétorésistifs 91 et 92 sont respectivement reliés à des conducteurs 101 et 102. Le mode de fonctionnement électromagnétique de ce dispositif est identique à celui de la figure 1.Cependant, chaque variation du flux magnétique dans le corps magnétique 2 se traduit par une variation de la résistance électrique des éléments 91 et 92. Un déplacement angulaire de l'arbre 6 se traduit aussi par une variation de la résistance des éléments 91 et 92. A la place des éléments 91 et 92, on peut aussi utiliser des générateurs de Hall pour déterminer le flux magnétique. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, représentée dans les figures 6 A et 6 B, une bague de court-circuit 5 est montée avec jeu sur un corps magnétique annulaire 1, et la culasse 3 couple mécaniquement les corps magnétiques annulaires 1 et 2. En outre, la culasse 3 est reliée à l'arbre 6 par l'intermédiaire du bras 73.Les éléments magnétorésistifs 91 et 92 sont logés dans le corps magnétique 2, de part et d'autre de la bobine d'aimantation 4, et ces éléments sont entraînés en rotation en même temps que l'arbre 6. Jusqu'ici on a supposé que la perméabilité spécifique des corps magnétiques 1 et 2 est très importante et que la disposition coaxiale des corps magnétiques permet d'obtenir une répartition uniforme du flux magnétique dans l'entrefer à air 9. Lorsqu'il est impossible d'obtenir une perméabilité spécifique des corps magnétiques annulaires 1 et 2 suffisamment importante pour que la résistance magnétique des corps 1 et 2 soit négligeable, par rapport à la résistance de l'entrefer à air 9, la répartition du champ magnétique dans l'entrefer à air peut être rendue uniforme en décalant parallèlement les axes des corps magnétiques annulaires 1 et 2, l'un par rapport à l'autre. R # V E N D I C A T I O N S 1. Capteur de déplac@@ ent dans lequel l'allure du flux @agnéticue, créé par une bobine d'induction dans un circuit de fer, à l'intérieur d'au @oins une bobine de détection dépend de la position d'une bague de court.circuit, caractérisé par le fait que le circuit de fer est constitué par deux corps @agnétiques annulaires qui sont disposés coaxialement, ces deux corps @agnétiques étant séparés par un entrefer à air annulaire, et une culasse, @unie d'une bobine d'ai@antation créant le champ magnétique, étant disposée dans ledit entrefer. 2. Capteur de déplacement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait sue les corps magnétiques annulaires sont disposés concentriquement l'un à l'intérieur de l'autre ou l'un au-dessus de l'autre, ces corps magnétiques possédant le même diamètre. 3. Capteur de @@@lacement sui@ant les revendications 1 et 2, caractérisé par le @@ it que les bobines de détection et la bague de courc-circuit sont disposées sur le même corps magnétique 4. Capteur de déplacement suivant les revendications 1 et: 2, caractérisé par le fait sue les bobines de détection sont disposées sur un des corps magnétiques et que la bague de courtcircuit est disposée sur l'autre corps magnétique. -. Capteur de déplacement suivant les revendications 1 è 4 prises dans leur ense@ble, caractérisé par le fait que la bague de court-circuit peut être déplacée par rapport à la culasse supportant la bobine d'aimantation et aux bobines de détection, en correspondance avec l'angle de rotation à mesurer. 6. Capteur de déplacement suivant les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'un des corps magnétiques supportant la bague de court-circuit paut tre déplac@ par rapport ss la culasse supportant la bobine d'ai- @antation, aux bobines de détection et à l'autre corps @agnétique. @. Capteur de déplacament suivant les re@endications 1 à @ prises dans leur ense@ble, caractérisérisé par le fait que les deux corps magnétiques supportant la culasse, la bobine d'aimantation et l@s bobines de détection peuvent être déplacés par rapport à la bague de court-circuit. Capteur de déplacement suivant les revendications 1 à prises dans leur ense@ble, caractérisé par le fait que les bobines de détection sont remplacées par des éléments magnétorésistifs ou des générateurs de Hall qui sont noyés dans un des corps @agnétiques annulaires.