Brevet FR2519137A1 — publié le 19830701

- Détecteur de position à deux axes pour dispositif à suspension magnétique La présente invention concerne un dispositif perfec- tionné destiné à être utilisé sur un dispositif à suspension magnétique rotatif pour détecter les déplacements raliaux et d'inclinaison du rotor du dispositif magnétique par rapport à son stator. Un dispositif à suspension magnétique avec lequel l'invention est concernée est un dispositif comprenant un stator et un rotor disposés coaxialement l'un autour de l'autre sans aucun contact mécanique entre eux. *Le stator ou le rotor comporte un aimant permanent dont le flux magnétique assure l'alignement axial du rotor par rapport au stator Le stator porte égale- ment des bobinages électriques, deux de ces bobinages étant centrés sur chaque axe de coordonnées dans le plan commun du stator et du rotor Ces bobinages engendrent dans l'entrefer annulaire entre le stator et le rotor, des champs magnétiques qui, d'une manière connuu an soi, se Lverit à cozitr 3 ibr la poaition radial_ du rotor par rapport au stator suivant les deux axes de coordonnées de leur plan commun A cet effet, les bobinages opposés qui contrôlent la position radiale le long d'un axe sont habituellement connectés en série ou en parallèle dans une boucle de contrôle. Lorsque le rotor se trouve écarté de sa position radiale centrée suivant l'axe X par exemple, le signal d'erreur de position se trouve traité électroniquement en sorte de faire circuler dans les deux bobinages associés à l'axe X un courant dans un sens ou en sens opposé selon la polarité du signal d'erreur Les champs magnétiques résultants sont alors tels que le flux magnétique de l'aimant permanent se trouve -2 - renforcé dans l'entrefer le plus large et se trouve affaibli dans l'entrefer le plus étroit Le rotor est alors plus fortement attiré vers le stator là o l'entrefer est le plus large, ce qui a pour effet de rétablir le rotor dans sa position centrée. Un dispositif à suspension magnétique de ce genre comporte nécessairement un dispositif de détection pour détecter la position radiale du rotor par rapport au stator et pour engendrer les signaux d'erreur électriques devant servir à la correction de position du rotor. Les détecteurs de position connus sont des dispositifs qui ont des dimensions physiques relativement petites en comparaison des dimensions du rotor des dis- positifs à suspension magnétique concernés ici Géné- ralement, les détecteurs de position sont de type électro-optique dont des exemples typiques se trouvent décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NOà 4000929 et 4043614, Ces dispositifs connus souffrent de l'une ou l'autre des importantes limita- t 1 ons suivantes, a) En raison de leurs faibles dimensions, les détec- tours de position connus présentent un niveau de bruit relativement élevé dé aux irrégularités de la surface du rotor et aux erreurs de forme ou de profil dezcelui- ci Ce bruit est particulièrement gênant lorsque des réseaux différentiateurs sont utilisés dans les cir- cuits électroniques de contr 8 le; b) En général, les détecteurs de position connus sont étudiés pour être insensibles à tout ce qui n'est pas déplacement radial du rotor Il en résulte qu'ils ne fournissent que très peu de signaux utiles pour con- trôler les déplacements d'inclinaison et ces dispositifs ne sont donc pas de bons détecteurs lorsque l'on désire -3- amortir de tels déplacements d'inclinaison. c) Des circuits électroniques relativement complexes sont associés à la plupart des détecteurs de position connus Cela est vrai en particulier pour les dispo- sitifs à courant alternatif avec lesquels on utilise normalement des circuits de démodulation Une telle complexité est préjudiciable à-la fiabilité du dispo- sitif à suspension magnétique et à la facilité avec laquelle il peut être mis en état de fonctionnement. Les limitations évoquées ci-dessus sont éliminées grâce à l'invention par un dispositif de détection qui comprend un transducteur capacitif constitué d'une partie fixe et d'un élément mobile séparés l'un de l'autre par un entrefer annulaire, la partie fixe consistant en cinq électrodes métalliques collées sur un support isolant solidaire dudit organe fixe, les électrodes précitées étant disposées en sorte de former deux anneaux de même diamètre séparés l'un de l'autre suivant la direction de leur axe commun, l'anneau inférieur étant continu et l'anneau supérieur étant constitué de quatre minces feuilles métalliques séparées par quatre étroits interstices d'égale largeur disposés à angles droits L'élément mobile consiste en un mince anneau cylindrique métallique collé sur un support isolant, solidaire dudit organe mobile. Chaque paire d'électrodes diamétralement opposées de la partie fixe est connectée aux bornes d'une boucle de contrôle de position, et l'électrode Inférieure est connectée à une source de tension alternative. Dans un mode d'exécution, la hauteur axiale de l'élé- ment mobile est plus petite que celle de la partie fixe, l'élément mobile étant positionné par rapport à la partie fixe de telle manière qu'une partie de U mal-On Psu L-J-4 e-I -O an OI-1611-r O so un qe OZ senb Tiuep-F enb Til oelq uo Tsae Auoo op S 4 Tnoa To xnop 4 uo T 4 daouoo allemou op O anajonpqu-eji: un pueadmoo'uo Tiloe: 9 p op XT Tsods Tp el enb I To A uo am-&Tj el e Iue:jodej e S sono -T 49 ugem uo Tsuedsns 1 s J TlT 50 ds Tp op 8 e 7 lclmexe xnep' ans Oç UOT'411 e &UT à Tuoles uo Tjoaq 9 p op jnei:onpvuej% np aftluom np suo Tinogxe xnep lueilenl IT il 4 a sean STZ sel - tuo TI Tsod op algaluoo op elonoq eun jepuemmoo anod uo T:kue Auç l uoles enbgai:oe 7 lq uo Timemoo op I -çnwço un oewe gaguuopiooo op exie un qm A Tng meionpfitm zl np eluo T 4 zo,& adnoo eun:s 9 z amis Ti el fuo TD Ue AUTIT u O les UOTI:Oejqp op e TI Tuods Tp np elqmesuep en,& eun:Rue k ean S Tj: el: lenbuel ans sgxeuu-e-To su Tssep xnu aouezg Tgz oe Aie:j Tns inb OZ 00 SUBP SITUI O p op Sn Id OGAB egsodxe aise UO'TI- Ue Aul:i I el Tqom %uamglgl op paoq el:kuossaclgp ana:lonpou-azl np ex Tj e Ti 4 jed el op vapoi 4 oelq sel lenbel suep Tn Iao Iz esoddo sues el quap ZT 4 Tsods Tp pp anb T: 9 u Sem uo Ts -uedsns op ea Te Inuue jejoalual op ue-çpgm jefuoz Tjoq ueld nie jjoddea aied 9 Téogp:-çov npuedsno a-lqmasuel op esoum op ea 4 ueo el jed:u Bssed IBI UOZT Joq ẻld el enb aaq Ttmm allait op enb T 49 u?,em uo Tsuedsns 'e TTI Ts -ods Tp el ans 9:k Uom 188 ana:lonpsueal el geoueagjpad Ga OL eeb Tkquftm uo Tsuadons i j:Til -çsodo Tp np joius el: Jade saalaod sanb T 19 u?,emoi 4 oale sou Tqoq sel 4 a unes -onpsu'u xl np GXTJ: e Ti:xed lel aalue q Sods Tp enb TI,elsozil -zelq uejoq un ze Au enb T 4 atiew uo Tsuac Tsns i ZT:l Tgods Tp 9 el ans qjuom:s 9 inalonpouaa 4 al " 4 uémasnagulue Ay -el Tqom 4 uemqj 4-ipnp ane Tjgdns pioq el assiadgp sepoailoelq sep jnejneq el Zút 6 LSZ comprend une partie fixe 11 et un élément mobile 12 disposés coaxialement avec entre eux un entrefer annu- laire 13 La partie fixe consiste en cinq électrodes 1,2,3,4,5 collées sur un support isolant 14 (repré- senté sur la figure 2) en sorte de former deux anneaux de même diamètre séparés l'un de l'autre suivant la direction de leur axe commun L'anneau inférieur 1 est constitué d'un mince anneau métallique continu et l'anneau supérieur est constitué de quatre minces feuilles métalliques 2, 3,4,5 séparées par quatre étroits interstices d'égale largeur disposeés à angles droits L'élément mobile 12 consiste en un mince cylindre métallique collé sur un support isolant 15 et disposé coaxialement autour de la partie fixe en étant séparé de celle-ci par un étroit entrefer radial 13 Lés extrémités supérieures des parties fixe et mobile sont généralement décalées axialement d'une certaine distance d, une partie de la hauteur des électrodes 2-5 dépassant le bord supérieur de l'élément mobile 12. L'anneau inférieur 1 de la partie fixe est connecté à un oscillateur 30 engendrant une tension rectangu- laire haute fréquence Les électrodes diamétralement opposées de l'anneau supérieur, c'est-à-dire les électrodes 2,4 et 3,5 sont connectées aux bornes d'entrée de deux circuits de démodulation électroni- ques identiques constitués de quatre diodes 21-24 montées en pont à proximité des électrodes 2-5 Le but de ces circuits de démodulation est de produire un signal de contrôle fiable et stable proportionnel au déplacement radial de l'élément mobile 12 par rapport à la partie fixe 11 du transducteur 10 Les bornes de sortie de chaque circuit de démodulation sont connectées par des c Ables blindés 25 et 26 aux entrées d'un ampli- ficateur opérationnel 27 qui forme avec le démodulateur un circuit de conversion électrique 20 destiné à * convertir le signal du transducteur en un signal ana- logique à courant continu Ec Celui-ci peut servir de signal de contrôle pour commander une boucle de contrôle, d'une manière connue en soi. Le fonctionnement du détecteur de position est expliqué en se reportant-à la figure 2 sur laquelle est repré- senté le circuit associé à un des axes de coordonnées X et Y Les références A et B désignent les largeurs de l'entrefer 13 existant aux extrémités diamétrale- ment opposées du transducteur 10 sur l'axe de coordon- nées X surveillé. Lorsque l'élément mobile du transducteur 10 est déplacé radialement de telle sorte que l'entrefer A est plus petit que l'entrefer B le couplage capacitif entre l'électrode 2 et l'anneau 12 est plus fort que le couplage entre l'électrode 4 et l'anneau 12 Pour les alternances positives du signal d'excitation, la capa- cité du câble blindé 25 est plus fortement-chargée à travers la diode 21 que l'est la capacité du c Able blindé 26 à travers la diode 22 Pour les alternances négatives du signal d'excitation, la capacité du câble blindé 26 se trouve chargée plus négativement à travers la diode 24 que l'est la capacité du câble blindé 25 à travers la diode 23 La tension à la sortie de l'am- plificateur opérationnel 27 est alors négative. Inversement, lorsque l'élément mobile 12 du transducteur est déplacé radialement de telle sorte que l'entre- fer A est plus grand que l'entrefer B la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 27 est positive. Il est important de remarquer que l'amplitude absolue des tensions haute fréquence qui apparaissent sur les -7- électrodes sont toujours considérablement plus élevées que les chutes de tension directes sur les diodes, même en l'absence de déplacement radial de l'élément mobile Il n'y a donc aucune perte de sensibilité due aux chutes de tension sur les diodes pour de petits déplacements de l'élément mobile du transduc- teur Pour assurer une relation linéaire entre la tension de sortie et le déplacement de l'élément mobile pour toute la gamme de déplacements, il faut que l'entrefer radial nominal entre la partie fixe et l'élément mobile soit choisi de telle manière que la différence des amplitudes des tensions haute fréquence qui apparaissent sur les électrodes surveillant le môme axe ( 2,4 et 3,5) soit toujours plus faible que la chute de tension directe sur les deux diodes en série, même lorsque l'élément mobile se trouve déplacé au maximum. Lorsque l'élément mobile 12 du transducteur se trouve incliné dans le sens du déplacement des aiguilles d'une montre autour de l'axe X, l'entrefer A devient plus petit que l'entrefer B et la tension à la sortie de l'amplificateur opérationnel 27 est négative comme décrit plus haut pour un déplacement purement radial. Lorsque l'inclinaison de l'élément mobile 12 se fait en sens inverse, l'entrefer A devient plus grand que l'entrefer B et la tension à la sortie de l'amplifi- cateur 27 est positive La sensibilit Eé à l'inclinaison est assurée grâce au fait que la hauteur axiale de l'élément mobile 12 est plus courte que celle de l'ensemble des anneaux de la partie fixe 11,d'une distance d Pour des dispositifs à suspension magné- tique et en particulier les dispositifs annulaires qui ont un diamètre grand par rapport à leur hauteur axiale, l'inclinaison de l'élément mobile 12 du transducteur 10 donne ainsi lieu à une variation différentielle considérable de la distance d aux électrodes diamétralement opposées, ce qui améliore sensiblement la sensibilité A défaut de cette distancé de dépassement d, les variations des largeurs radiales A et B de l'entrefer 13 seraient très faibles et il en résulterait une sensibilité généralement insuffisante. L'invention prévoit encore des dispositions particulères pour le montage du détecteur de position décrit dans ce qui précède en vue d'assurer une excellente stabilité de suspension au dispositif et assurer à la détection une excellente sensibilité aux mouvement d'inclinaison du rotor Ces dispositions particulières proposées se résument en deux points: a) assurer un isolement électrostatique et électro- magnétique entre le transducteur du détecteur de posi- tion et la source du champ magnétique de suspension et b) réaliser un décentrement mécanique comme expliqué plus loin en se référant aux figures 3 et 4 qui illus- trent deux modes d'exécution typiques du détecteur selon l'invention et son intégration à deux exemples de roues à moment d'inertie telles qu'on en utilise sur les véhicules spatiaux pour en contrôler l'atti- tude La figure 3 montre, en coupe axiale, une roue à moment d'inertie comprenant un dispositif de sus- pension magnétique compact constitué d'un stator 31 et d'un rotor 32 disposé coaxialement autour de l'axe commun Z Le stator 31 porte quatre bobinages électro- magnétiques (non représentés) disposés de façon diamé- tralement opposée sur les deux axes de coordonnées X et Y d'un même plan horizontal Le rotor 32 porte un aimant permanent annulaire désigné par la référence 33 Le dessin montre clairement le montage du transducteur 10 selon l'invention,qui a pour but de détecter les déplacements radiaux et d'inclinaison du rotor 32 par rapport au stator 31 La partie U Jnaiffluie-li: np ex-rj: a T: x 7 ad 1 B-l op -Z -seme-çxedns sopoil oeig soi jenbal suap Tn Iao 1 ggoddo gues el quep (enb TI pugum uo Tsuadsns op imippm ueld) q:Toqjd II le 4 uoz,ç moil ue Td nw:jodd-ej xied 9- llaoa j-ço 9 (essiem op ail ueo np ue-Ed) q:çoqxd I jejuoz Tjoiq ueld el: enb 1.80 U 09 TUUTIOUTIP s I-uameo,37 ldgp sep j: ç 4 T Ood D Uemeg - 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REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection de position pour détecter la position d'un organe mobile par rapport à un organe fixe suivant deux axes, - caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur capacitif ( 10) constitué d'une partie fixe ( 11) et d'un élément mobile ( 12) séparés l'un de l'autre par un entrefer annulaire ( 13), la partie fixe consistant en cinq électrodes métalliques ( 1-5) collées sur un support isolant ( 14) solidaire dudit organe fixe, les électrodes précitées étant disposées en sorte de former deux anneaux de même diamètre séparés l'un de l'autre suivant la direction de leur axe commun, l'anneau inférieur ( 1) étant continu et l'anneau supérieur étant constitué de quatre minces feuilles métalliques ( 2,3,4,5) séparées par quatre étroits interstices d'égale largeur disposés à angles droits, l'élément mobile ( 12) consistant en un mince anneau cylindrique métallique collé sur un support isolant ( 15) solidaire dudit organe mobile, chaque paire d'électrodes diamétralement opposées ( 2,4; 3,5) de la partie fixe étant connectée aux bornes d'une boucle de contrôle de position, et l'électrode inférieure ( 1) étant connectée à une source de tension alternative. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile ( 12) a une hauteur axiale plus petite que celle de la partie fixe ( 11), l'élément mobile étant positionné par rapport à la partie fixe de telle manière qu'une partie (d) de la hauteur des électrodes ( 2-5) dépasse le bord supérieur dudit élément mobile ( 12) 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,-monté sur un dispositif à suspension magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un écran électrostatique ( 16) en un matériau électro-conducteur non magnétique, disposé entre la partie fixe ( 11) du transducteur et les bobines électromagnétiques du dispositif à suspension magnétique qui génèrent le champ magnétique de suspension. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, monté sur un dispositif à suspension magnétique, caractérisé en ce que le plan horizontal (I) passant par le centre de masse de l'ensemble suspendu est décalé (distance D) par rapport au plan horizontal médian (II)de l'entrefer de suspension magnétique dans le sens opposé à celui dans lequel les électrodes supé- rieures ( 2-5) de la partie fixe ( 11) du transducteur dépassent le bord supérieur de l'élément mobile ( 12) dudit transducteur. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque paire d'électrodes diamétralement opposées ( 2,4; 3,5) de la partie fixe ( 11) du transducteur est connectée à un circuit de démodulation constitué de quatre diodes ( 21-24) montées en pont et situées à proximité des électrodes ( 2-5) précitées, la sortie dudit circuit de démodula- tion étant connectée à une boucle de contrôle et produisant un signal représentatif du déplacement radialde l'élé- ment-mobile ( 12) par rapport à la partie fixe ( 11) du transducteur. VDP