Brevet FR2541765A1 — publié le 19840831

GYROMETRE La présente invention concerne un gyromètre automatique à simple axe comprenant une suspension à cardan comportant un anneau d'inertie et un moteur agencé pour faire tourner l'anneau d'inertie autour d'un premier axe, le moteur et l'anneau d'inertie étant disposés concentriquement, des paliers de support de la suspension à cardan, permettant un déplacement angulaire de cette suspension autour d'un second axe perpendiculaire au premier, un détecteur du déplacement de la suspension à cardan autour du second axe, et un générateur de couple solidaire de la suspen- sion à cardan, ce générateur de couple comprenant une bo- bine et un aimant permanent agencés de manière à exercer un couple de rappel par rapport au second axe sous l'effet d'une excitation des enroulements de la bobine. Dans les gyromètresde ce type, tout déplacement du gyro- mètre présentant une composante de rotation autour d'un axe de base situé à angle droit par rapport à un pre- mier axe, dit axe de rotation, et un second axe, dit axe de pivptement, provoque un déplacement angulaire de la suspension à cardan autour de l'axe de pivotement Dans les gyromètres automatiques, ce déplacement angulaire est détecté et un couple de rappel est exercé par le généra- teur de couple sur la suspension à cardan de façon à la maintenir dans sa position de base On obtient une mesure de la vitesse angulaire du gyromètre autour de l'axe de base à partir du courant délivré à la bobine du généra- teur de couple pour maintenir la suspension à cardan dans sa position de base - On connalt déjà diverses configurations de tels gyromètres, mais ils sont généralement encombrants ou difficiles à fabriquer et à assembler avec précision pour un coût mo- 36 déré Par conséquent, la présente invention à pour objet de fournir un gyromètre pouvant être réalisé avec préci-. sion pour un coût relativement bas et sous une forme com- pacte. Dans ce but, le présente invention concerne un gyromètre du type mentionné ci-dessus, caractérisé en ce que la bo- bine est de forme cylindrique et est montée à une extrémi- té de la suspension à cardan coaxialement avec le premier axe et à distance du second axe, et en ce que l'aimant permanent est fixé dans le gyromètre à l'intérieur de la bobine, coaxialement-avec le premier axe, de telle façon que le champ magnétique de l'aimant traverse les enroule- ments de la bobine. Selon une forme de réalisation avantageuse, l'aimant peut être polarisé sensiblement à angle droit à la fois par rapport au premier axe et au second axe La bobine et l'aimant peuvent être de section circulaire Le gyromètre peut comporter un élément magnétique cylindrique entou- rant l'aimant de manière à constituer un circuit de re- tour pour le champ magnétique de l'aimant, et au moins une partie de la bobine peut être située entre l'aimant et ledit élément magnétique Cet élément magnétique peut former une partie du boîtier du gyromètre La suspension à cardan peut être montée sur un premier et un second palier, ces paliers étant logés dans des encoches ménagées dans une embase du gyromètre, laquelle entoure la suspen- sion à cardan Ces encoches peuvent être en forme de V. La suspension à cardan peut être un ensemble fermé Le détecteur peut être monté à une extrémité de la suspension à cardan Le gyromètre peut comporter un bloc de commande- électronique disposé à proximité-d'une extrémité de la suspension à cardan, et-ce bloc de commande peut comporter une série de cartes imprimées empilées les unes au-dessus des autres. -3- En montant la bobine du générateur de couple coaxialement avec l'anneau d'inertie, on parvient à réaliser un-gyro- mètre de construction compacte En outre, l'assemblage du gyromètre est facilité Cette construction permetd'appor- ter facilement des variantes ou des modifications à divers composants de gyromètre sans avoir à modifier complètement la conception d'ensemble. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'une forme de réalisation, donnée ci- dessous à titre d'exemple, et aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe verticale du gyromètre, la figure 2 est une vue éclatée d'un côté du gyromètre, et la figure 3 est une coupe transversale du-gyromètre sui- vant la ligne III-III de la figure 1. En référence à la figure 1, le gyr"mètre est équipé d'une suspension à cardan 1 qui comporte une cage cylindrique 10 renfermant un moteur 11 Ce moteur comporte un stator 12 comprenant des enroulements cylindriques 13 bobinés sur une pièce polaire 14 en fer doux Le moteur 11 comprend également un rotor sous la forme d'une bague cylindrique à hystérièse qui entoure un anneau d'inertie 16 de Forme semblable et dont elle est solidaire L'anneau d'inertie 16 est supporté au moyen d'un palier hydrodynamique 17 à lubrification gazeuse, de type classique, bien qu'on puisse utiliser d'autres types de paliers, notamment à billes Le palier 17 comporte un tourillon intérieur cy- lindrique 18 muni sur sa surface extérieure courbe 19 de rainures hélicoïdales qui coopèrent avec la surface inté- rieure lisse 20 de l'anneau d'inertie 16 Deux plaques de 36 butée 21 et 22 sont fixées aux extrémités opposées du -4- tourillon 18, ces plaques étant munies, sur leur face orientée vers l'intérieur, de rainures qui coopèrent avec les extrémités plates et lisses de l'anneau d'inertie 16. La rotation de l'anneau d'inertie 16 provoque l'entraine- ment du gaz dans les rainures du tourillon 18 et des pla- ques de butée 21 et 22 de façon à engendrer un film de gaz lubrifiant entre les surfaces Des plaques d'about 2 et 3 ferment hermétiquement la suspension à cardan 1 aux extrémités opposées de la cage 10, qui peut être remplie d'un gaz inerte. L'anneau d'inertie 16 et le moteur 11 sont montés tous deux concentriquement par rapport à la cage 10 et l'an- neau d'inertie tourne autour de leur axe vertical commun, l'axe de rotation 23 La suspension à cardan 1 est montée de manière à pouvoir effectuer des déplacements angulaires autour d'un axe horizontal de pivotement 24 qui coupe à angle droit l'axe de rotation 23 Le montage de la sus- pension à cardan 1 est effectué au moyen de paliers qui se présentent sous la forme de deux pivots à flexion 25 et 26 (par exemple du type décrit dans la demande de bre- vet britannique No 1 545 774) dont les extrémités inté- rieures sont fixées dans des-positions opposées sur la surface externe de la cage 10 de la suspension à cardan, au milieu de sa longueur Les extrémités extérieures des pivots à flexion 25 et 26 sont logées dans des encoches respectives 30 et 31 en forme de V, ménagées dans l'em- base 100 du gyromètre comme le montre clairement la fi- gure 2. Une plaque horizontale 101 s'étend en travers de l'embase au-dessus de la suspension à cardan 1 La plaque 101 porte un dispositif de détection 102 (figure 1)qui co- opère avec une électrode 103 montée sur la plaque supé- rieure 2 de la suspension à cardan 1 pour détecter le 36 -déplacement angulaire de la suspension à cardan autour de -5- l'axe horizontal de pivotement 24. Dans la partie inférieure du gyromètre se trouve un géné- rateur de couple comprenant une bobine 40 et un aimant 41 en samarium/cobalt La bobine 40 est de forme cylindrique et de section circulaire; elle est fixée à la partie in- férieure de la suspension à cardan 1, de façon à se dépla- cer avec elle Ainsi, la bobine 40 est montée coaxialement avec l'axe de rotation 23, mais elle se déplace au-dessous de l'axe de pivotement 24 L'aimant 41 présente également une-forme cylindrique et-une section circulaire; il est fixé à la partie inférieure de l'embase 100 L'aimant 41 est-ainsi aligné axialement avec l'axe de rotation 23 quand la suspension à cardan 1 se trouve dans sa position de base La bobine 40 se trouve dans un entrefer annulai- re 42 situé entre la surface extérieure courbe de l'aimant 41 et la partie inférieure de l'embase 100, les longueurs respectives de l'aimant et de labobine étant sensiblement égales L'aimant 41 est polarisé selon un diamètre 43 (comme le montre la figure 3) orienté à angle droit par rapport à l'axe de pivotement 24, si bien que les lignes de champ 44 de l'aimant se trouvent dans un plan horizon- tal et qu'elles traversent la bobine 40 et suivent l'em- base 100, qui constitue un circuit magnétique de retour. Un bloc de commande électronique 200 du gyromètre est monté au-dessus de la suspension à cardan 1, sur la plaque supérieure 101 Le bloc de commande électronique 200 com- prend une ou plusieurs cartes imprimées 201 empilées ver- ticalement les unes au-dessus des autres Le bloc de com- mande 200 est connecté de manière à recevoir des signaux délivrés par le dispositif capacitif de détection 102 et à délivrer des signaux d'excitation à la bobine 40 du gé- nérateur de couple. 36 La partie supérieure du gyromètre est fermée au moyen d'un 2541765. -6- couvercle métallique 104 qui s'emboîté sur l'embase 100 pour enfermer la suspension à cardan 1 et-le bloc de com- mande électronique 200 La fermeture hermétique du cou- vercle 104 avec l'embase 100 est assurée au moyen d'un joint torique 105 qui est logé dans une gorge annulaire 106 de la face extérieure de l'embase. Une plaque de connexion 50 obture la face inférieure du gyromètre et porte diverses borne S 51 permettant de con- necter à l'extérieur le bloc de commande 200 Tout le volume intérieur du gyromètre, en dehors de la suspension à cardan 1, peut être rempli d'un gaz inerte ou d'un li- quide amortisseur. La configuration du gyromètre facilite son assemblage La suspension à cardan 1 se présente comme un bloc avec la bobine 40 et les paliers 25 et 26 On installe aisément la suspension à cardan 1 en orientant les-paliers 25 et 26 suivant les encoches 30 et 31 et en abaissant l'en- semble vers sa position On peut utiliser des brides 61 et 62, recouvrant respectivement les encoches 30 et 31 au- dessus des paliers 25 et 26, pour fixer en position ces paliers Les brides 61 et 62 sont appliquées contre l'a- rête supérieure de chaque palier 25 et 26, si bien que ceux-ci sont positionnés avec précision par trois points de contact La plaque supérieure 101 qui porte le disposi- tif de détection 102 peut être fixée à l'embase 100, au- dessus de la suspension à cardan 1 Ensuite, on effectue les connexions électriques des cartes électroniques im- primées 201 avec la suspension à cardan et on empile ces cartes sur la plaque supérieure 101 L'assemblage du gyro- mètre s'achève par le montage du couvercle 104 de manière étanche sur l'embase 100. Pendant le fonctionnement, un déplacement du gyromètre 36 présentant une composante de rotation autour de l'axe de -7- de base 27 du gyromètre (c'est-à-dire l'axe qui coupe à angle droit à la fois l'axe de rotation 23 et l'axe de pivotement 24) provoque un déplacement angulaire de la suspension à cardan 1 autour de l'axe de pivotement 24. En fonction du signal de sortie du dispositif de détection 102, le bloc de commande 200 délivre du courant à la bo- bine 40 du générateur de couple Le courant circulant dans la bobine 40 produit le long de l'axe 23 un champ magné- tique qui réagit avec le champ de l'aimant permanent 41. En référence à la figure 3, on constate que les lignes de champ de l'aimant 41 traversent la bobine 40 dans un sens sur une moitié de sa circonférence et dans l'autre sens sur, l'autre moitié Par conséquent, lorsqu'un courant cir- cule dans la bobine 40, une moitié de la bobine subit une force montante parallèle à l'axe de rotation 23 et l'autre moitié subit une force descendante Il en résulte un cou- ple qui tend à faire pivoter la bobine autour de son dia- mètre et donc-autour de l'axe de pivotement 24, tendant ainsi à amener en position la suspension à cardan On peut remarquer que la largeur de l'entrefer annulaire 42 ne permet qu'un petit déplacement de la bobine, donc un déplacement angulaire limité de la suspension à cardan. Le couple de rappel à pour effet de maintenir la bobine au milieu de l'entrefer 42 et de l'empêcher de toucher l'embase 100 ou l'aimant 41. Le courant délivré à la bobine 40 du générateur de couple est représentatif de la vitesse angulaire du gyromètre autour de l'axe de base 27 Les signaux de sortie du gy- romètre sont constitués par des signaux représentatifs de ce courant, délivrés sur les bornes 51. La configuration du gyromètre présente plusieurs avanta- ges La disposition du générateur de couple 4 sur l'axe de rotation 23 et à distance de l'axe de pivotement 24 36 permet de réduire la longueur du gyromètre dans le sens -8- de l'axe de pivotement, ce qui permet de réaliser un gy- romètre de construction compacte et de dimensions appro- ximativement égales selon chaque axe Ceci représente un avantage particulier lorsqu'il faut monter orthogonalement trois gyromètres sur une plateforme à inertie, puisqu'on peut les disposer d'une manière plus compacte D'autre part, le générateur de couple 4 présente l'avantage d'a- voir une grande efficacité, puisque les champs magnétiques de dispersion sont limités à un minimum grâce au circuit -10 de retour constitué par l'embase 100 Ceci permet au gé- nérateur de couple 4 d'encaisser des taux de rotation continus allant jusqu'à 1300 degrés par seconde et d'avoir une fréquence propre très élevée, voisine de 257 Hz Grâce à la configuration symétrique du gyromètre, dont les trois axes 23, 24 et 27 sont concourants, la stabilité de l'appa- reil est améliorée. La construction modulaire facilite les réparations et le remplacement des pièces Elle présente aussi l'avantage de permettre de réaliser différents gyromètres en utili- sant en grande partie les mêmes composants Ainsi par exemple, on pourrait utiliser une suspension à cardan différente avec la même embase 100 et le même bloc de commande 200, ou bien monter des paliers différents Mais surtout, dans ce contexte, on peut modifier facilement le bloc-de commande 200 par addition ou remplacement de car- tes imprimées 201, ce qui permet d'utiliser les mêmes composants mécaniques dans un gyromètre -bon marché, com- portant un bloc de commande simple, et dans un gyromètre plus coûteux, comportant un bloc de commande plus sophis- tiqué Si nécessaire, on peut employer un couvercle 104 plus haut pour s'adapter à son nombre accru de cartes 33 imprimées. -9- Revendications 1 Gyromètre automatique à simple axe comprenant une sus- pension à cardan comportant un anneau d'inertie et un moteur agencé pour faire tourner l'anneau d'inertie autour d'un premier axe, le moteur et l'anneau d'iner- tie étant disposés concentriquement, des paliers de support de la suspension à cardan, permettant un dépla- cemen t angulaire de cette suspension autour d'un second axe perpendiculaire au premier, un détecteur du dépla- cement de la suspension à cardan autour du second axe, et un générateur de couple solidaire de la suspension à cardan, ce générateur de couple comprenant une bobine et un aimant permanent agencés de manière à exercer un couple de rappel par rapport au second axe sous l'effet d'une excitationdes enroulements de la bobine, caracté- risé en ce que la bobine ( 10) est de forme cylindrique et est montée à une extrémité de la suspension à car- dan ( 1) coaxialement avec le premier axe ( 23) et à distance du second axe ( 24), et en ce que l'aimant permanent ( 41) est fixé dans le gyromètre à l'intérieur de la bobine ( 40), coaxialement avec le premier axe, de telle façon que le champ magnétique de l'aimant ( 41) traverse les enroulements de la bobine ( 40). 2 Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant ( 41) est polarisé sensiblement à angle droit à la fois par rapport au premier axe ( 23) et au second axe ( 24). 3 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la bobine ( 40) et l'aimant ( 41) sont de section circulaire. 4 Gyromètre selon l'une quelconque des-revendications 36 précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un élé- _ ment magnétique cylindrique ( 100) entourant l'aimant ( 41) de manière à constituer un circuit de retour pour le champ magnétique de l'aimant ( 41), et en ce qu'au moins une partie de la bobine ( 40) est située entre l'aimant ( 41) et ledit élément magnétique. Gyromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément magnétique ( 100) forme une partie du boî- tier du gyromètre. 6 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la suspension à cardan ( 1) est montée sur un premier et un second pa- lier ( 25 et 26) et en ce que ces paliers sont logés dans des encoches ( 30 et 31) ménagées dans une embase ( 100) du gyromètre, laquelle entoure la suspension à cardan. 7 Gyromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites encoches ( 30 et 31) sont en forme de V. 8 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la suspension à cardan ( 1) est un ensemble fermé. - 9 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur ( 102, 103) est monté à une extrémité de la suspension à car- dan ( 1). Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc de commande électronique ( 200) disposé à proximité d'une extrémité de la suspension à cardan ( 1), et en ce que le bloc de commande ( 200) comporte une série de cartes imprimées ( 201) empilées les unes au-dessus 37 des autres.