Brevet FR2547414A1 — publié le 19841214

La présente invention concerne un transducteur destiné à mesurer, sans contact, le couple sur des arbres tournants ou fixes. On connaissait précédemment des transducteurs de couple magnétoélastiques, par exemple d'après le brevet SW 167 387. Ces transducteurs ont l'inconvénient consistant en oe que des contraintes internes a' la surface de la matière de l'arbre produisent des variations du signal de sortie du transducteur lorsqu'on os fait tourner l'arbre. On reconnaît quSil est possible de réduire ces variations par un traitement thermique de arbre et par l'augmentation du nombre de pôlesdu transducteur considéré et, lorsque c'est possible, par l'accomplissement de la mesure pendant une plus longue durée, avec calcul de la valeur moyenne. Il est cependant difficile, en utilisant les procédés de traitement thermique, de réduire les contraintes internes dans la surface de l'arbre au-dessous de 10 N/mm et, même si le nombre de pôles est élevé, la variation du signal sous l'effet de la rotation de l'arbre est considérable, an moins s'il est exigé d'effectuer des mesures instantanées, ce qui ne permet pas de calculer une valeur moyenne sur une certaine durée. Pouréliminer les difficultés précitées, on a également testé une solution entièrement différente. Dans l'arbre considéré, qui doit être ici en une matière magnétique, on a taillé dans deux zones annulaires parallèles, à une certaine distance l'une de l'autre, des rainures parallèles avec un pas uniforme et faisant respectivement des angles de +45 et -45 par rapport à une génératrice de la surface de l'arbre. Cece conduità une forme d'orientation magnétique dans la direction des rainures dans les deux zones, entre autres du fait de la longueur de chemin accrue dans la direction perpendiculaire aux rainures.Si l'arbre est chargé avec un moment de torsion et présente une magnétostriction positive, la réluctance diminue dans la zone dans laquelle les rainures sont parallèles à la contrainte principale positive et la réluctance augmente dans l'autre zone, dans laquelle les rainures sont parallèles à la contrainte principale ndgativee En comparant les rélectances avec un couplage différentiel, on obtient une mesure du couple appliqué.On met en oeuvre ce principe en entou rant chaque zone avec deux bobines fixes, concentriques par rapport à l'arbre, et en utilisant respectivement ces bobi- nes pour l'excitation par un courant alternatif avec les bobines connectées en série, et pour la détection de la dif- férence entre les flux dans les deux zones, avec les bobines connectées en opposition. Un circuit magnétique en fer ayant la forme d'un solide de révolution avec une surface génératrice en forme de B entoure les bobines et comporte des entrefers dirigés vers l'arbre. Ia solution précédente fonctionne bien en principe mais possède certains inconvénients. Tout d'abord, la matitre de l'arbre doit avant tout être sélectionnée en vue du domaine d'utilisation envisagé, et les propriétés magnd- tiques nécessaires à la mesure sont d'une importance secon- daire. rar exemple, dans de nombreux cas, une résistance mécanique élevée et donc une grande dureté sont exigées, ce qui fait que la perméabilité et donc la sensibilité devien- nent très faibles.Dans d'autres cas, un arbre en acier inoxydable austénitique est exigé, ce qui rend le procédé de mesure complètement inutilisable. De pllu, dans les cas dans lesquels les propriétés magnétiques de l'arbre sont suffisamment bonnes, on rencontre d'autres difficultés. Ainsi, comme mentionné précédem- ment, un arbre a toujours une orientation magnétique alda- toire considérable, essentiellement à cause de contraintes internes, mais également sous la forme de régions ayant une orientation cristalline différente, le tout résultant du processus de fabrication des arbres, qu'il s'agisse de forgeage dans le cas d'arbres de forte section ou de laminage dans le cas de dimensions plus faibles.On reconnaît qu'il est possible de réduire considérablement cette orientation magnétique par des normalisations répétées, si elles sont accomplies avec grand soin avec les arbres à l'état suspendu et à une distance suffisamment grande les uns des autres et de la paroi du four. De plus, lorsqu'on prend les plus grands soins, on obtient toujours une orientation résiduelle de qulques pour cent, probablement à cause de l'orientation variable précitée, qu'il est difficile d'éliminer complètement. Si les bobines précitées avec le circuit magnétique associé étaient absolument concentriques à l'arbre et sans orientation dans les parois d'extrémité, l'orientation res tante précitée dans l arbre ne produirait aucun signal fonction de l'angles Cependant, du fait d'imperfections dans le centrage et d'une orientation ayant une symétrie annulai- re insuffisante dans les parois d'extrémité, on obtient toujours une certaine dépendance du signal vis-à-vis de l'angle, mGme avec le meilleur traitement thermique des ar- bres, et cette dépendance résulte du processus de fabrication de ces arbres.La situation est très différente si, à la place, l'arbre comporte un manchon, par exemple soudés dans lequel les zones précitées ont été formées. Dans ce cas, les rainures peuvent commodément être formées sous la forme de fentes traversantes. L'avantage dun tel manchon consiste en ce qu'il peut être réalisé en matière laminée pour tube, à Laquelle le laminage a donné des propriété beaucoup plus homogènes dans la direction périphérique. De cette manière, la variation du signal en fonction de l'angle peut être ré duite d'au moins un ordre de grandeurs ce qui est une condition pour pouvoir appliquer le procédé de mesure à de nom- breux domaines d'application avec un couple faible. Avec un manchon de mesure fabriqué séparément, on obtient évidemment également l'avantage consistant en ce qu'il est possIble de choisir une matière ayant des proprié tés magnétiques favorables, qui peut entre combinée avec un arbre pouvant être en une matière à résistance mécanique élevée, ayant de mauvaises propriétés magnétiques, ou un arbre en acier austénitique, non magnétique. Cependant, même dans le cas d'arbres en acier ordinaire pour arbres ayant de relativement bonnes propriétés magnétiques, un manchon de matière pour tube offre, comme indiqués l'avantage d'avoir une orientation magnétique considérablement plus homogène. Lorsqu'on soude le manchons la soudure forme une distance de matière non magnétique qui réduit le couplage magnétique entre le manchon et l'arbre. On peut obtenir une plus grande isolation magnétique du manchon en réduisant la section de l'arbre, par tournage9 au-dessous de chaque zone, grâce à quoi le manchon n'est fixé à l'arbre qu'aux extrémités et au milieu, la fixation pouvant se faire dans ce cas par soudage, de préférence par sondage par laser. Du point de vue exclusif de la technique de fabrication, le mode de réalisation avec un manchon à fentes possède de grands avantages sur le mode de réalisation comportant des rainures taillées directement dans l'arbre. Lorsqu'on taille des rainures dans l'arbre, on doit ut ser une fraiss en bout à queue, et arbre doit avoir simul- tanément un mouvement hélicoïdal pendant l'usinage e Au contraire, les fentes peuvent entre taillées dans le manchon d'une manière simple avec une fraise pour rainures, avec le tube fixe. le fait que les fentes ne coïncident pas entière- ment avec les directions des contraintes principales sur toute leur longueur n'a aucune importance.Lorsqu'on doit effectuer une mesure dans une seule direction de couple, on peut utiliser des angles différents pour les fentes dans les deux zones, pour obtenir une meilleure linéarité pour le transducteur. le fondement théorique de la réduction de l'erreur de linéarité de transducteurs magnétoélastiques par la combinaison de composantes de signal, dans des proportions appropriées, provenant d'éléments ayant respective ment des contraintes de traction et de compression, est connu d'après le brevet SW 7614600, bien que le processus décrit ici soit complètement différent. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 montre le manchon de mesure avec deux zone parallèles ayant des fentes mutuellement parallèles orientées sous des angles d'environ +45 et -45 par rapport une génératrice de la surface du cylindre. La figure 2 montre un mode de réalisation de le vention pour le domaine d'application le plus courant, avec le manchon de mesure à l'extérieur dDun arbre et le système de bobines avec le circuit magnétique associé, en forme de coquille, entourant le manchon. La figure 3 montre un schéma de principe de l'ali- mentation de la bobine d'excitation et de la mesure du signal de différence à partir des bobines de détection. les figures 4 et 5 montrent l'invention appliquée à un arbre tubulaire, avec le manchon de mesure réalisé sous la forme d'une fourrure placée à l'intérieur de l'arbre, et les bobines fixes avec le noyau magnétique associé à l'intérieur du manchon de mesure. La figure 6, enfin, montre un mode de réalisation " qui convient spécialement pour de gros ar bres, pour lesquelsil serait difficile de fabriquer un manchon de mesure mince ; dans ce cas le manchon peut être remplacé par une bande avec des fentes poinçonnées qui est fixée autour de l'arbre. La figure 1 montre le manchon de mesure 1 en une matière à magnétisme doux et avec les surfaces cylindriques intérieure et extérieure bien concentriques. Dans deux zones annulaires parallèles 2 et 3 situées à une certaine distance l'une de l'autre, on a frais des fentes mutuellement parallèles, ayant un pas uniforme et faisant des angles d'environ +45 et -45 par rapport à une génératrice des surfaces cylindriques du manchon. La figure 2 montre le manchon 1 soudé autour d'un arbre fixe 4 dont on doit mesurer le couple. Chaque zone 2, 3 est entourée par deux mandrins 16, 17, concentriques par rapport à arbre 4, portant des bobines 8, 10 et 9, 11, parmi lesquelles les bobines 10 et 11 sont utilisées pour l'excitation en courant alternatif, avec les bobines connec- tées en série, tandis que les bobines 8 et 9 sont utilisées pour détecter la différence entre les flux dans les deux zones et sont connectées en opposition.Un circuit magnéti- que en fer 5, réalisé sous la forme d'un solide de révolu- tion avec une surface génératrice en forme de X, entoure les bobines et comporte des entrefers du cOté de l'arbre, dans les trois parties annulaires du circuit magnétique en fer. Pour assurer un centrage fiable de l'arbre, il peut être avantageux d'emplir l'entrefer entre le manchon et les surfaces polaires du circuit magnétique avec un manchon non magnétique en une matière appropriée ayant une faible friction, par exemple du Teflon ou du bronze. Si les zones sont formées de façon entièrement symétriques, le signal de sortie est égal à zéro dans le cas d'un arbre non chargé, à condition que l'arbre soS bien centré dans le circuit magnétique en Ber 59 que le manchon ait des propriétés magnétiques homogènes et que le manchon soit séparé magnétiquement de l'arbre, par exemple au moyen de la couche de soudure formée pendant l'opération de sou- doge. De cette façon, seuls des changements de la perméabi- lité dans la direction des languettes dans les zones peuvent affecter l'équilibre du transducteur. Dans le cas de l'exci- tation avec une fréquence élevée telle que la pénétration du flux dans l'arbre soit négligeable, la séparation magnétique par la soudure a moins d'importance. Si maintenant l'arbre est soumis à un moment de torsion, les languettes situées dans une zone sont soumises à une contrainte de traction dans la direction du flux et les languettes dans l'autre zone sont soumises à une contrainte de compression dans la direction du flux, ce qui entraîne respectivement une augmentation et une diminution du flux dans les deux zones, dans le cas de matières ayant une magnétostriction positive comme par exemple du fer magnétisé de façon modérés, ce qui donne un signal proportionnel au couple. la figure 3 montre que les bobines 10 et 11 sont alimentées en série à partir de la source à courant alterna- tif 13 et que le signal provenant des bobines 8 et 9 connec- tées en opposition est redressé, d'une manière sensible à la phase, dans le redresseur commandé 14, équipé d'un filtre, et est affiché sur l'instrument 150 les figures 4 et 5 montrent l'application de l'invention a un arbre tubulaire, pour lequel on désire accomplir la mesure à l'intérieur de l'arbre, ee qui fait que les positions de l'arbre et du transducteur sont permutées. l'arbre de transmission de couple 30 a été doublé à l'inté- rieur avec un manchon comportant deux zones à fentes 31 32. Le circuit magnétique en matière à magnétisme doux con siste ici en un noyau cylindrique 36 comportant trois dis- ques annulaires 33, 349 35 entre lesquels les bobines d'ex- citation 37, 38 et les bobines de détection 39, 40 sont pla- cées sur les mandrins 41, 42 Le circuit magnétique avec le syst e me de bobines est retenu en position concentrique par rapport à arbre tubulaire, par exemple au moyen d'une partie en saillie du noyau 36. la figure 6 montre un mode de réalisation de l'in- Invention qui convient spécialement pour de gros arbres 51, pour lesquels il serait difficile de fabriquer un manchon de mesure mince. Le manchon est remplacé ici par une bande 50 en matière à magnétisme doux dans laquelle des fentes sont poinçonnées ou gravées en deux zones parallèles 53, 54, d'une manière identique à celle décrite précédemment our le manchon. Le joint 52 de la bande doit évidemment suivre la direction des fentes0 il va de soi que de nombreuses modifications peuvent eAtre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Transducteur de couple magnétoélastique comprenant un arbre (4) et au moins deux enroulements fixes, prévus pour être excités (10, 11) par un courant alternatif et pour accomplir une mesure (8, 9), ces enroulements étant concentriques par rapport à l'arbre et munis d?un circuit magnétique (5), également concentrique par rapport à l'ar bre, qui en association avec l'arbre, d'une part entoure les enroulements et d'autre part forme une paroi de séparation placée de façon symétrique entre les enroulements, grâce à quoi, d'une part, les enroulements sont disposés et alimentés de façon que des flux égaux, à l'état non chargé, soient induits dans l'arbre de part et d'autre de la séparation et, d'autre part, les enroulements sont disposés de façon à détecter la différence entre ces flux qui apparaît lorsqu'on charge l'arbre avec un couple, caractérisé en ce que, dans une position située de façon immédiatement adjacente aux enroulements et au circuit magnétique, l'arbre comporte un manchon (1) en matière à magnétisme doux, fixé rigidement, qui comporte deux zones parallèles (2, 3) séparées l'une de l'autre par une certaine distance, dans les quelles des fentes mutuellement parallèles ont été formées de façon à avoir un pas uniforme et à faire avec une géné- ratrice des surfaces cylindriques du manchon un angle d'environ +45 dans une zone et d'environ -45 dans l'autre zone. 2. transducteur de couple magnétoélastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon en matière à magnétisme doux est formé par une matière laminée pour tube. 3. Transducteur de couple magnétoélastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon est fixé sur la surface cylindrique externe d'un arbre et en ce que les enroulements et le circuit magnétique entourent l'arbre équipé du manchon. 4. Transducteur de couple magnétoélastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon est fixé sur une surface cylindrique intérieure d'un arbre creux et en ce que les enroulements et le circuit magnétique sont entourés par l'arbre creux équipé du manchon. 5. Transducteur de couple magnétoélastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon a été formé par fixation autour d'une surface cylindrique de l'arbre d'une bande de tôle, munie de fentes correspondan- tes, la fixation étant par exemple effectuée par brasage.