Brevet FR2447552A1 — publié le 19800822

La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de mesure de la vitesse de rotation d'un axe, fournissant le résultat des mesures sous la forme d'une grandeur électrique, habituellement une tension, dite tachymétrique. Cette information peut être utilisée telle quelle, ou, le plus souvent, etre mise à contribution dans un système de servo-commande destiné, par exemple, à réguler ou à asservir la vitesse de rotation. Bes dispositifs utilisés comportent en général un ou plusieurs éléments sensibles à une grandeur directement liée à la rotation de l'arbre, éléments désignés habituellement sous le nom de capteurs, associés à des circuits électriques délivrant la tension tachymétrique à partir des données fournies par les capteurs. Dans les servomécanismes travaillant en courant alter natif, les capteurs sont en général constitués par des machines tournantes génératrices asynchrones "à cloche", quelquefois compensées de plus en température. Mais les servo-mécanismes sont de plus en plus réalisés pour un fonctionnement en courant continu, avantageux dans le domaine du volume des moteurs,du rendement,de la facilite de traitement des informations etc... Bes capteurs de vitesse sont alors généralement constitués par des dynamos tachymétriques à aimants permanents et à balais. Cependant les balais et collecteurs ne sont pas fiables dans les environnements sévères, notamment dans les milieux pol lués (présence d'eau, de glace, d'uiles..) et pour les fonction nements à des températures extremes. Bes défauts de contacts, les "crachements" et ltusure de ces èléents sont alors rédhibi toires. Par ailleurs, il est en général demandé aux génératrices tachymétriques destinées aux servo-mécanismes, de fournir une tension de sortie réellement continue, c'et à dire présentant le minimum de taux de variation, typiquement meilleur que 5 % dans tous les cas. Cette exigence conduità l'utilisation d'un grand nombre de lames de collecteur et de bobines sur les géné ratrices classiques,c'est à dire à la réalisation de collecteurs de fort diamètre ; ce qui aggrave encore le défaut de fiabilité de ces machines,par suite de l'accroissement de la vitesse péri phérique. Il est, enfin, souhaitable d'obtenir d'une génératrice tachymétrique destinée à l'utilisation dans un servo-mécanisme, simultanément la valeur absolue et le signe de la vitesse, cette dernière information fournissant le sens de rotation ; la géné ratrice est alors dite "bi-directionnelle". Quelques solutions de génératrices à C.C, évitant l'uti lisation d'un collecteur ont été essayées ou étudiées. Elles présentent des défauts le plus souvent rédhibitoires pour beaucoup d'applications. Bes principales réalisations sont les suivantes - L'alternateur à aimants permanents et à redresseurs. Il fournit une tension de sortie très ondulée, et de plus unidirectionnelle. - La génératrice à commutateur par relais scellés s en ampoule : c'est une génératrice dans laquelle le commutateur à balais et collecteur est remplacé par des interrupteurs à lame souple sous ampoule de verre (Reed Relay). L'encombrement des ampoules interdit l'usage d'un grand nombre de bobines et la tension de sortie est fortement ondulée, avec un taux de variation typique de l'ordre de 17 %. De plus, la fiabilité des ampoules et et leur tenue en température limitée réduisent l'usage de ce type de machine à quelques applications particulières. - La génératrice à effet Hall. Une telle génératrice a été décrite par exemple dans la revue "Electronique Industrielle" (1969 NO 120).Ses principaux défauts sont la faiblesse de la tension de sortie, et la difficulté d'obtenir une bonne stabilité en température. En pratique les meilleurs résultats obtenus avec ce type de machine nten autorisent pas l'utilisation comme tachymètre de précision. C'est un objet de la présente invention que de proposer un dispositif générateur de tension continue tachymétrique, en grandeur et en signe, ne présentant aucun de ces inconvénients ou limitations. Ce dispositif comprend essentiellement : d'une part un alternateur diphasé à aimant permanent, délivrant des signaux assurant après traitement, la détermination de la grandeur de la vitesse, alternateur muni, de plus, de capteurs de champ magnétique délivrant des signaux assurant après traitement, la détermination du signe de la vitesse ; d'autre part, un circuit électronique de traitement des deux types de signaux, fournissant à ses bornes de sortie une tension tachymétrique rendant compte, simultanément de la grandeur et du signe de la vitesse de l'axe de rotation de l'alternateur.Il est à remarquer que la précision de l'information tachymétrique dépendra alors largement du degré de pureté harmonique des signaux sinusondaux délivrés par l'arternateur et les capteurs, variable suivant les modes de réalisation de cette machine tournante C'est un autre objet de la présente invention que de proposer un alternateur particulièrement avantageux pour une mise en oeuvre dans le dispositif générateur de tension continue tachymétrique ci-dessus, -alternateur conçu pour délivrer des tensions dont la loi de variation sinusoidale soit aussi pure que possible, en comportant un minimum de tersions harmoniques d'ordre supérieur. Dans son fondement; l'invention repose sur le fait que, dans un alternateur, notamment du type à aimant permanent mobile (rotor) et enroulements fixes (stator), la force électro-motrice induite dans ceux-ci constitue une information liée à la dérivée du flux d'induction magnétique créé dans ces enroulements par le rotor ; si l'on associe à l'alternateur un élément permettant de mesurer le champ d'induction lui-même, il est ainsi possible, en traitant les deux informations "champ" et "dérivée du champ", dans un circuit électronique, de connaître complètement la vitesse en grandeur et en signe. lorsqu'on connait en effet la valeur dune fonction en un point et sa dérivée en ce point, la fonction autour de ce point est complétement définie. L'élément de mesure du champ magnétique lui-meme peut être un élément magnéto-résistif ou, de préférence, un capteur à effet Hall. Plus précisément, la présente invention consiste en un dispositif générateur de tension électrique tachymétrique, délivrant une tension continue dont la grandeur et le signe représentent respectivement la vitesse et le sens de rotation d'un axe tournant, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part,- un alternateur diphasé, constituée d'un stator et d'un rotor définissant deux axes polaires disposés à 900, le stator comportant deux enroulements, et au moins un capteur de clamp magnétique disposé en quadrature avec l'un deux, supportés par un circuit magnétique, le rotor comportant un aimant permanent dont l'axe nord-sud est disposé perpendiculairement à l'axe tournant, et d'autre part, un circuit de traitement des tensions fournies par l'alternateur, délivrant la tension tachymétrique, constitué de deux étages d'entrée élévateurs au carré, d'un étage sommateur alimenté par les deux précédents, d'un étage intermodiaire extrateur de racine carrée, et d'un étage de sortie inverseur de signe, commandé par un circuit comparateur des signes respectifs des tensions du capteur et de l'enroulement en quadrature. L'invention sera mieux eomprise à l'aide de la description ci-après, en s'appuyant sur les figures jantes où, - La figure 1 représente un dispositif tachymétrique selon l'art connu - La figure 2 représente un dispositif tachymétrique selon l'invention, comportant un capteur magnétique à effet Hall - la figure 3 représente une variante du dispositif représenté sur la figure 2, comportant deux capteurs magnétiques à effet Hall; - La figure 4, représente, suivant une section perpendiculaire à son axe,un alternateur à deux capteurs magnétiques à effet Hall, conçu pour mise en oeuvre dans le dispositif de la figure 3 - La figure 5 (a), (b), représente, suivant une coupe par l'axe, deux modes de réalisation de l'alternateur de la fi gure 4. La figure 1 représente un dispositif tachymétrique à alternateur diphasé selon l'art connu. Ce dispositif se compose d'un alternateur diphasé 1, eomposant un stator muni de deux enroulements ou bobinages 2 et 3, disposés à 900 l'un de l'autre, et d'un rotor, comportant un aimant tournant 4 dont l'axe nord-sud est orienté perpendiculairement à l'axe de rotation 5. Les bobinages sont respectivement connectés aux bornes d'entrée 10 et il d'un circuit électronique de traitement 12. le circuit 12 possède deux étages d'entrée 13 et 14, élevant à la puissance 2 un signal qui leur est appliqué, et sont connectés ensemble, à leurs bornes de sortie, à un étage additionneur 15. A la sortie de cet étage, le signal "somme" est appliqué à l'entrée d'un étage extracteur de racine carrée 16, dont la borne de sortie constitue celle du circuit de traitement 17. Be fonctionnement d'un tel circuit se déroule de la façon suivante l'es bobinages 2 et 3 délivrent respectivementesuivant la loi de l'électro-magnétisme, des tensions électriques proportionnelles à la dérivée des flux magnétiques qui les traversent flux respectivement proportionnels aux lignes trigonométriques sinus et cosinus de l'angle que fait avec eux l'axe magnétique du rot or. En rapportant cet angle à un tour complet du rotor, correspondant à une période T, ces flux s'expriment par = A = # sin t avec W = Ts = 2sE T o &commat;o OÙ où N est le nombre de tours de l'axe par seconde. Bes tensions VA et V3 recueillies aux bornes des bobinages A et B valent par conséquent, au signe près VA= K#) COS = #t VB = = K# six ut Après élévation au carré dans les étages 13 et 14, et sommation dans l'additionneur 5, il vient VA + VB 2 = K # Enfin, à la sortie de l'extracteur de racine carrée 16, il reste K|W|, (1) où # = 2#N. L'information sur la vitesse de rotation N est bien obtenue. Cependant, pour que la tension de sortie soit sans ondulations significatives, (inférieures à 1 ), proportionnelle à la valeur absolue de la vitesse de rotation et, de plus, dans une large gamme de vitesses de rotation, avec un niveau de sortie notable et une bonne tenue aux environnements adverses, il est nécessaire que les tensions induites dans l'alternateur soient parfaitement sinusoldales, et que les circuits électroniques ne présentent pas de seuils inférieurs de fonctionnement.Il est, par ailleurs, essentiel de noter que le dispositif de l'art connu,comme le montre la relation (1), ne fournit pas l'indication du sens de la rotation de l'axe, c'est-à-dire le signe de W. On doit enfin remarquer que, de plus, la tension de sortie diminuant avec la vitesse, la valeur de LJ devient impré cise pour les basses valeurs de celle-ci. La figure 2 représente un dispositif tachymétrique selon l'invention L'alternateur diphasé de la figure 1 est muni d'un capteurs magnétique à effet Hall, délivrant une tension électrique directement proportionnelle au champ magnétique. Ce capteur est un générateur 25 (G1), mis en place dans l'entrefer de la machine sur un rayon parallèle à celui de l'axe d'un bobinage, ici B1. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant en rotation, l'aimant envoie dans l'entrefer de la machine un flux à répartition d'espace sensiblement sinusoldale, et, le générateur G1 étant excité par un courant coAtinu ig, la tension apparaissant aux bornes de Hall sera l'image de l'induction recueillie par G1Xsoit : Uh = Kj cos Wt (E1 : coefficient dépendant de l'induction maximale et de ig) La tension qui est induite dans le bobinage B2 est 32 = K.#. cost (K = coefficient dépendant de l'induction maximale et du nombre de spires). Sn comparant les 2 expressions de Uh et siB , on voit 2 immédiatement qu'elles sont de même signe ou de signe inverse selon le signe de c' est-à-dire selon le sens de rotation de l'alternateur. Selon l'inventionol'exploitation des différences et concordances des signes de ces tensions est effectuée en appliquant celles-ci aux bornes d'entrée d'un circuit comparatesur de signe 20, qui délivre à sa sortie un signal caractéristique du signe correspondant. Ce signal est utilisé pour commander un circuit inverseur de signe 21 connecté à la sortie 17 du dispositif représenté sur la figure 1, circuit qui fournit ainsi, sur sa borne de sortie 22, un signal tachymétrique bidirectionnel, rendant compte en grandeur et en signe, de la vitesse de rotation du rotor de l'alternateur. La figure 3 représente une variante du dispositif de la figure 2, comportant deux capteurs magnétiques à effet de Hall. Le but de la mise en oeuvre d'un second capteur est d'sméliorer la précision de la détermination du signe dans un cas particulier de la position de l'aimant permanent du rotor, à savoir celle pour laquelle sa direction nord-sud est sensiblement à 900 de celle du diamètre à l'extr8mité duquel est situé le capteur. Dans cette position, en effet, la tension recueillie aux bornes de celui-ci est extrêmement réduite, et risque de se trouver masquée par les tensions ohmiques résiduelles des circuits, ou par les seuils des amplificateurs du comparateur de signe ; sur la figure 2, par exemple, le capteur G1 recoit une induction nulle lorsque le bobinage B2 reçoit une induction maximale. Selon l'invention un second capteur G2(20) est mis en oeuvre, disposé à 900 du premier capteur G1(25). Ces capteurs sont situés suivant les mimes rayons respectifs que les bobinages B1 et B2. Nais il est à noter qu'un seul des deux ntest utile à la fois, celui des deux qui délivre la plus grande tension, nécessaire à la connaissance de l'induction magnétique. C'est pourquoi les deux tensions fournies par les deux capteurs sont appliquées à 11 entrée d'un circuit comparateur d'amplitude 31, qui choisit la plus grande des deux en valeur absolue, et l'envoie ensuite avec son signe au comparateur de signe 32, accompagnée de la tension fournie par le bobinage correspondant, c'est-à-dire le bobinage situé angulairement à 900, à savoir B2 pour G1 et B1 pour G2. Be changement de générateur et de bobinage de référence se fait donc au voisinage de la position du rotor telle que Xt = 14 + k 52 S ctest-à-dire 2' celle pour laquelle l'axe NS de l'aimant occupe la position de la bissectrice de l'angle des axes des 2 bobinages. La figure 4 représente un alternateur tachymétrique, par ticulièrement avantageux pour être mis en oeuvre dans le dispositif tachymétrique selon l'invention. Bien qu'il soit possible d'y utiliser toute machine tournante diphasée munie de deux capteurs à effet Hall, telle que par exemple, certains moteurs à effet Hall connus à barreau parallélépipédique, le fonctionnement optimal du dispositif repose sur la comparaison de tensions alternatives, qu'il est donc essentiel d'obtenir de l'alternateur aussi purement sinusoidales que possible, c'est-à-dire dépourvues d'harmoniques de la fréquence fondamentale délivrée. Or les machines tournantes existantes ne sont pas conçues pour ce tut, et les harmoniques existant dans les tensions délivrées provoquent une ondulation extrêmement néfaste de la tension de sortie. L'alternateur diphasé,faisant partie de l'invention, représenté sur la figure 4, est caractérisé par une structure conduisant, en fonctionnement, à deux tensions présentant un taux d'harmoniques particulièrement réduit. Ia figure 4 illustre, vu en coupe perpendiculairement à -'axe de rotation, un mode de réalisation d'un tel alternateur, suivant deux parties (a) et (b). l'e circuit magnétique, représenté en (a), se compose d'abord d'un rotor 40, constitué d'un cylindre de révolution en matériau magnétique susceptible de subir une aimantation permanente. Be cylindre est solidaire de l'arbre de rotation 5 de l'alternatéur, et est aimanté uniformément dans une direction perpendiculaire à l'axe.On sait qu'un aimant cylindrique ainsi aimanté, distribue dans un entrefer cylindrique concentrique un champ magnétique dont la répartition est purement sunusoldale. Le circuit magnétique comprend ensuite un stator 42 définissant un volume intérieur cylindrIque de révolution, constitué d'un empilement de tôle découpées, présentant une pluralité d'encoches telles que 43 destinées à recevoir les fils d'enroulements. Te mode de réalisation de ces enroulements est représenté sur la figure 4 en (b). Tes deux enroulements distincts correspondant aux deux phases de l'alternateur diphasé, sont bobinés suivant deux directions perpendiculaires 54 dans les encoches, définissant deux paires de pôles disposés suivant deux diamètres perpendiculaires. Chacun des deux enroulements respectifs des deux phases est bobiné de la façon suivante Chaque encoche reçoit une fraction, ou "section" du bobinage total, disposée concentriquement à l'axe des deux paires de pâles : les sections sont à pas variable et à nombre de spires (n1) également variable. Le nombre de spires ni de la ième section 50 placée dans une encoche 51 située à l'angle &commat; g par par rapport à l'axe 52 du pôle doit etre proportionnel au sinus de cet angle : n. = k. sin 6 (k coefficient commun pour toutes les i sections) Un tel bobinage a la propriété de distribuer dans l'entre- er un flux d'induction dont la répartition dans l'espace est très voIsine de la sinusolde. Le flux ne possède que des harmo niques de rang multiple du nombre d'encoches plus ou moins 1 m = k. z+ 1 (m : rang de l'harmonique) (z : nombre d'encoches Par exemple pour une tôle à 24 encoches, le premier harmonique sera de rang 23, c'est-à-dire de rang élevé. Comme le flux d'induction cordé par l'aimant ne possède pas d'harmonique de rang aussi élevé, la tension induite dans le bobinage quand l'aimant tourne est purement sinusoldale. Enfin pour éviter l'influence des dents du stator et atténuer encore l'amplitude des harmoniques de bobinage, le paquet de tôles sera empilé avec une inclinaison hélicoïdale de 1 pas d'encoche sur la longueur du paauet de tôles. La figure 5 représente, suivant des vues en coupe par un plan radial, deux dispositions (a) et (b) des capteurs magnétiques à effet Hall mis en oeuvre dans l'alternateur tachymétrique de l'invention. Suivant le premier mode (a), les capteurs 61 et 62 supportés par une bague collectrice de flux magnétique 63 sont soumis au champ magnétique direct émanant de l'aimant du rotor 40. Il résulte de cette solution la nécessité de conférer. à la longueur axiale du rotor 40 une valeur supérieure à celle du stator 42. Suivant un deuxième mode (b), les capteurs sont soumis au champ de fuite latéral de l'aimant du rotor, représenté par les lignes de fuite telles que 70. Ils sont supportés par une plaque 71 en matériau magnétique, assumant le rôle de collecteur de flux latéral de l'aimant. Ces deux disposixions préférées ne sont données qu'à titre d'exemple, toute autre variante entrant dans le domaine du brevet si elle est conforme à l'alternateur de l'invention, à savoir un alternateur à rotor à aimant permanent,aimant en forme de cylindre lisse aimanté diametralement et uniformément, associé à un stator dont les bobinages ont une répartition sinusoldale. Suivant des ordres de grandeurs donnés à titre d'exemple, un dispositif tachymétrique selon l'invention, comportant l'al alternateur et les circuits associés selon l'invention, a fourni les résultats suivants : pour une vitesse de rotation nominale de 5000 tours à la minute, l'indication du signe reste exacte jusqu'à 5 tours par minute; et l'ondulation crête à crête de la tension tachymétrique est meilleure que 1% entre 50 tours-minute et 5000 tours-minute ce qui constitue des résultats très améliorés par rapport à ceux fournis par des dispositifs de l'art connu. REVENDICATIONS 1. Dispositif générateur de tension électrique tachymétrique, délivrant une tension continue dont la grandeur et le signe représentent respectivement la vitesse et le sens de rotation d'un axe tournant, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part, un alternateur diphasé, constitué d'un stator et d'un rotor, définissant deux axes polaires disposés à 900, le stator comportant deux enroulements supportés par un circuit magnétique, et au moins un capteur de champ magnétique disposé en quadrature avec l'un deux, le rotor comportant un aimant permanent dont l'axe nord-sud est disposé perpendiculairement à l'axe tournant, et d'autre part, un circuit de traitement des tensions fournies par l'alternateur, délivrant la tension tachymétrique, constitué de deux étages d'entrée élévateurs au carré, d'un étage sommateur alimenté par les deux précédents, d'un étage intermédiaire extracteur de racine carrée, et d'un étage de sortie inverseur de signe commandé par un circuit comparateur des signes respectifs des tensions du capteur et de l'enroulement en quadrature. 2. Dispositif générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stator comporte un second capteur de champ. ma- gnétique disposé à 900 du premier, le circuit comparateur étant allmenté par un circuit sélecteur, assurant le choix d'un capteur et d'un enroulement en quadrature délivrant des tensions maximales. 3. Dispositif générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs de champ magnétique sont du type dit à effet Hall. 4. Alternateur diphasé pour dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent est en forme de cylindre de révolution, ccaxial avec l'axe tournant, et aimanté uniformément. 5. Alternateur diphasé pour dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique du stator comporte des encoches réparties régulièrement sur sa surface cylindrique interne,dans lesquelles chacun des deux enroulements est logé en sections, chaque section comportant un nombre de spires variable suivant une loi proportionnelle à la ligne trigométrique sinus de l'angle fait par le rayon passant par l'encoche avec l'axe polaire défini par l'enroulement correspondant. 6. Alternateur diphasé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les capteurs de champ magnétique sont disposés en vis à vis de la surface cylindrique de l'aimant. 7 Alternateur diphasé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les capteurs de champ magnétique sont disposés en vis à vis d'une des surfaces latérales circulaires de l'aimant. 8. Alteinateur diphasé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les capteurs de champ magnétique soeft supportés par un anneau répartiteur de chas constitué d'un matériau magnétique.