Brevet FR2612633A1 — publié le 19880923

La présente invention concerne un couplemètre à effet Vernier. Un couplemètre de type connu est représenté dans la figure 1. Il comprend une portion d'arbre 1 et permet de mesurer la torsion existant entre deux sections A et B de cet arbre, ces sections étant disposées à proximité des extrémités de la portion d'arbre 1. Aux sections A et B sont calés les rotors 2 et 3 de deux alternateurs identiques; les ro- tors sont associés respectivement à deux induits 4 et 5 fixés à une carcasse commune 6 reliée à l'arbre 1 par des paliers 7 et 8. Les induits 4 et 5 sont reliés électriquement par des connexions 9 et 10 à un comparateur de phase 11. Le déphasage mesuré est proportionnel à la torsion existant entre les sections A et B. Des brides 12 et 13 permettent d'insérer l'appareil dans une ligne d'arbres comprenant les arbres 14 et 15 munis de brides 16, 17. Le couple, exercé par un arbre menant 14 par exemple sur l'arbre mené est proportionnel à la torsion entre les points A et B. Le couple est donc proportionnel à la mesure du déphasage. Si N est la fréquence de rotation de l'arbre et n le nombre de paires de p8les des alternateurs, la fréquence des courants induits est nN; soit > l'angle de torsion entre A et B; le déphasage corres- pond à n >?mesuré à la fréquence nN. En supposant que la limite de précision du phasemètre soit le plus petit intervalle de temps dto séparant les ondes émises par les induits 4 et 5, le plus petit angle de torsion détecté est > o lié à dto par la relation: 00 dto peut être choisie. On peut envisager d'augmenter la sensibilité de l'appareil en diminuant la section de l'arbre. Mais cette diminution fragilise la ligne d'arbre en induisant des fréquences critiques basses de torsion. Un but de la présente invention est de réaliser un couplemètre dont 26 1 2633 - 2 - la sensibilité à arbre torsible donné, est multipliée par un facteur égal à plusieurs dizaines. L'invention a pour objet un dispositif pour la mesure de la torsion entre une première et une seconde sections d'un arbre, pendant la rotation de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier moyen lié à l'arbre, au niveau de ladite second section, pour élaborer et transmettre au voisinage de ladite première section une information représentatrice de la phase existant au niveau de ladite seconde de section, - au moins un inducteur vernier hétéropolaire dont un élément est lié audit arbre au niveau de ladite première section qui reçoit ladite information au niveau de son autre élément et l'amplifie sous forme du déphasage d'une induction magnétique résultante attachée au repère de l'arbre et tournant avec lui, - un premier récepteur dipolaire fixe induit par ladite induction magné- tique, - un second récepteur dipolaire fixe induit par une seconde induction magnétique liée au repère de l'arbre, fournie par un second moyen et constituant une référence de phase et un comparateur de phase recevant sur ses entrées les signaux émis par lesdits récepteurs et fournissant un signal de sortie proportionnel à la différence des phases desdits si- gnaux et donc audit angle de torsion. Avantageusement, ledit premier inducteur vernier hétéropolaire comprend une couronne de 2 p pôles alternés et une denture magnétique comprenant p + 1 dents. Dans un mode particulier de réalisation, ledit second moyen est un alternateur à 2 pôles. Préférentiellement, ledit second moyen est un inducteur vernier hétéropolaire comprenant une couronne de 2 p pôles en phase avec la précédente denture magnétique comprenant p i 1 dents. Dans un mode particulier de réalisation le premier moyen comprend un alternateur à 2 p pôles ayant un inducteur lié à l'arbre au voisinage de ladite deuxième section et un induit alimentant un premier stator à 2 p pôles tournant pratiquement à la vitesse de l'arbre portant l'in- formation stator à 2 p pôles de phase et constituant l'un des éléments -3dudit inducteur Vernier hétéropolaire, l'autre élément étant une roue comprenant p + 1 dents. En variante, ledit premier moyen est un élément allongée non torsible fixé par une pièce solidaire dudit arbre au voisinage de ladite seconde section et s'étendant entre ladite première et deuxième section de façon à transmettre mécaniquement la phase de la deuxième section au niveau de la première. Avantageusement, ledit élément allongé est un tube coaxial à l'ar- bre. L'invention sera bien comprise à la description ci-après de divers modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique d'un couplemètre selon l'art-connu, - la figure 2 est un schéma expliquant les principes d'élaboration et de fonctionnement du couplemètre de l'invention, - la figure 3 est un schéma d'un couplemètre selon un premier mode de réalisation, - la figure 4 est un schéma d'un couplemètre selon une premiere variante de réalisation, - la figure 5 est un schéma d'un couplemètre selon une deuxième variante, - la figure 6 est un schéma d'un amortisseur pouvant équiper le couplemètre, - la figure 7 est un schéma d'un couplemètre selon une troisième variante de réalisation. La figure 1 a été expliquée au cours de l'exposé sur l'art anté- rieur. La figure 2 est un schéma expliquant les principes d'élaboration et de fonctionnement du couplemètre de l'invention. Les éléments réunis par l'accolade I sont liés à l'arbre 20 et tournent avec lui. Les éléments réunis par l'accolade II sont fixes. Au niveau de la section B de l'arbre est placé un organe 21 qui fournit une mesure de la phase de B. La mesure est transmise par un organe 22 lié à 21 et reçu dans un inducteur Vernier hétéropolaire 23, 24 lié à l'arbre qui amplifie la torsion de l'arbre et la transforme sous - 4 - la forme d'un déphasage d'une première induction magnétique 25 liée à l'arbre et qui tourne avec lui. Cette induction est reçue par une récepteur dipolaire 28. Un organe 26 lié à l'arbre fournit une référence de phase sous forme d'une induction 27 fixe par rapport à l'arbre qui tourne avec l'arbre et qui est reçue par un récepteur dipolaire 29 fixe. Un comparateur de phase 30 relié aux sorties des récepteurs 28 et 29 fournit une information proportionnelle au déphasage donc à l'an- gle de torsion. L'utilisation d'un inducteur Vernier hétéropolaire permet une très grande précision de mesure; supposons que l'inducteur vernier comprenne une couronne 23 de 2 p poles magnétiques coopérant avec une denture 24 de p + 1 dents et qu'un déphasage Y en B soit communiqué par l'organe 22 à l'un des éléments de l'inducteur vernier hétéropolaire. On sait que, par suite de l'effet Vernier les 2 p pôles de magnétiques se transformant en une paire de p8les magnétiques ou macropôles déphasés de p Y. L'organe 26 de référence de phase peut être un alternateur dipolaire. Dans ce cas, en supposant encore que la limite de precision du phasemètre soit le plus petit intervalle de temps dto séparant les ondes 25 et 27, le plus petit angle de torsion 1 détecté est lié à dto par la relation dto 26 1 2633 -5- celle des appareils de l'art antérieur, la fréquence de lecture ne dépassant pas celle de rotation de la ligne d'arbre. Si l'organe de référence 24 est un autre inducteur Vernier hétéro- polaire, comprenant 2 p pôles alternés coopérant avec une roue à p-1 dents, auquel est communiqué le déphasage existant entre A et B, ce Vernier se traduit par 2 macropôles diphasés de -p t. La sensibilité de la mesure est alors encore doublée par rapport au cas précédent. La sensibilité de la mesure peut alors dépasser de 2 ordres de grandeur celle de l'appareil de l'art antérieur. Un premier mode de réalisation de l'invention est décrit maintenant, en référence à la figure 3. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend deux inducteurs Vernier hétéropolaires et la phase de la section B leur est transmise par voie électrique. Au point B de l'arbre 40 est fixé un inducteur 47 d'un alternateur 48 à 2p pôles 4TA comprenant un induit statorique 49 de même polarité. Le courant de l'induit 49 alimente deux stators 42 et 52 dispo- sés au voisinage de la section A. Ces stators sont munis chacun d'un bobinage (resp. 42A, 52A) à 2p pôles, donc de même polarité que l'induit 49. I1 en résulte que les pôles de l'induit de l'alternateur 48 sont reproduits au droit des alésages des stators 42 et 52. Les bobinages 42A et 52A se comportent donc chacun comme 2p pôles liés à l'arbre, ayant la phase du point B. Ils constituent la première partie des inducteurs Vernier hétéropolaires annoncés. Les stators 42 et 52 sont également munis de bobinages dipolaires 42B, 52B (récepteurs) dont les sorties respectives 43, 53 sont reliées à un comparateur de phase 60. Les stators 42, 52 et 49 sont disposés dans une carcasse magnéti- que commune 61 liée à l'arbre par des paliers 62 et 63. Les inducteurs Vernier hétéropolaires comprennent, outre les pôles 42A, 52A, des roues 41 et 51 comprenant respectivement une couron- ne dentée 44 à p-1 dents et 45 à p+1 dents. Avantageusement, les couronnes sont reliées à l'arbre par un disque commun 64 soudé à l'arbre. Le fonctionnement du couplemètre qui vient d'être décrit est 26 1 2633 - 6 - identique à celui dont le principe a été donné en référence à la figure 2. La figure 4 représente une variante de réalisation dans laquelle les bobinages à 2p p8les et les bobinages dipolaires sont disposés de part et d'autre des rotors dentés. Les éléments communs aux figures 3 et 4 ont reçu les mêmes numéros de référence. Les bobinages dipolaires (récepteurs) sont cette fois ré- férencés 48 et 58. La circulation des flux est cette fois parallèle à l'axe AB. La proximité des dents et des récepteurs assure un meilleur lis- sage des tensions de sorties envoyées au comparateur. Le lissage peut encore être amélioré par une Judicieuse inclinaison des dentures statoriques. Les deux modes de réalisation donnés en référence aux figures 3 et 4 conviennent aux couplemètres destinés à la mesure des couples des lignes d'arbres de diamètre important tournant à vitesse relativement faible (inférieure à 3000 tours/minute). On utilisera de préférence la technique des induits à encoches contenant les conducteurs. Pour les appareils de plus faible diamètre, (inférieur à 70-80 mm) l'encochage n'est plus possible. On utilise alors une variante de réalisation décrite ci-après en référence à la figure 5. Au droit de la section B de l'arbre, référencé 70, est soudé un disque 71 solidaire d'un tube 72 s'étendant coaxialement à l'arbre Jus- qu'au delà de la section A. Ce tube non torsible lui-même transmet de B en A la phase de torsion existant dans la section B. Au voisinage du point A, le tube 72 est entouré par deux stators à bobinages dipolaires 73 et 74. Le tube porte, enchassés dans son épaisseur, deux couronnes de 2p aimants à aimantation alternée 75 et 76. Au droit des aimants 75 et 76 sont disposées respectivement deux couronnes de dents 77 et 78, liées à l'arbre 70 par un disque commun 79. La couronne 77 possède p+1 dents, la couronne 78 en possède p-1. Les stators 73 et 74 sont fixés à une carcasse 80 liée à l'arbre par des paliers 81 et 82. -7- Un palier 83 (facultatif) sert de guidage au tube 72. Les bobina- ges dipolaires sont reliés électriquement à un comparateur de phase 85. Les inducteurs Vernier hétéropolaires sont donc ici constitués l'un par les aimants 75 et la couronne dentée 77, l'autre par les aimants 76 et la couronne dentée 78. Le fonctionnement du couplemètre est tout à fait analogue à celui des couplemètres à double effet Vernier décrits précédemment. On peut (figure 6) avantageusement doter l'arbre d'une culasse magnétique 93 recouverte d'une couche 94 d'un bon conducteur de l'élec- tricité; le tube 72 est entouré par une culasse massive 95 et doté d'une couronne de petits aimants alternés 96. Cet ensemble constitue un amortisseur de vibrations de torsionà courants de Foucault. Dans la variante de réalisation représentée dans la figure 7, les éléments communs aux figures 5 et 7 ont reçu le même numéro de référence. Les couronnes d'aimants 75A, 76A sont cette fois liées à l'arbre par un support 79A. Les groupes de p-1 et p+l dents, 77A et 78A utilisent le tube 72 comme jante et le traversent. Les flux sont, comme précédemment, communiqués aux récepteurs 73 et 74. Dans tous les modes de réalisation décrits, le r8le des sections A et B peut être interverti. L'interaction des phases de A et B au moyen d'un inducteur hétéropolaire Vernier peut être réalisée à un niveau quelconque de l'arbre AB. Les éléments constitutifs du couplemètre peuvent être montés directement sur l'arbre à surveiller; en variante, le couplemètre peut être monté sur un tronçon d'arbre muni à ses extrémités de brides pour son insertion dans une ligne d'arbre à surveiller. Bien que les exemples décrits en références aux figures 5 à 7 mentionnent l'emploi d'un tube, on comprendra que ce dernier peut être remplacé par un élément allongé non torsible, par exemple un bras ou une pluralité de bras reliés entre eux ou un tube ajouré. -8-_ REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la mesure de la torsion entre une première (A) et une seconde (B) sections d'un arbre, pendant la rotation de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier moyen (21) lié à l'arbre, au niveau de ladite seconde section, pour élaborer et transmettre au voisinage' de ladite première section une information représentative de la phase existant au niveau de ladite seconde section, - un premier inducteur Vernier hétéropolaire (23, 24) dont un élément est lié audit arbre au niveau de ladite première section, qui reçoit ladite information au niveau de son autre élément et l'amplifie sous forme d'un déphasage d'une première induction magnétique (25) résultante attachée au repère de l'arbre et tournant avec lui, - un premier récepteur dipolaire fixe (28) induit par ladite induction magnétique, - un seconde récepteur dipolaire fixe (29) induit par une seconde induc- tion magnétique liée au repère de l'arbre (27), fournie par un second moyen (26) et constituant une référence de phase, et un comparateur de phase (30), recevant sur ses entrées les signaux émis par lesdits récepteurs et fournissant un signal de sortie proportionnel à la différence des phases desdits signaux et donc audit angle de torsion. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit premier inducteur Vernier hétéropolaire comprend une couronne de 2 p pôles alternés (23) et une denture magnétique comprenant p + 1 dents (24). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce. que ledit second moyen est un alternateur à 2 pôles. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit second moyen est un inducteur Vernier hétéropolaire comprenant une couronne de 2 p pâles en phase avec la précédente et une denture magnétique comprenant p ± 1 dents. / Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier moyen comprend un alternateur (58) à 2 p pôles ayant un inducteur (47) lié à l'arbre au voisinage de ladite deuxième section, et un induit (49) alimentant un premier stator à 2 p pôles tournant pratiquement à la vitesse de l'arbre portant l'information de phase et constituant l'un 26 1 2633 9- des éléments dudit inducteur Vernier hétéropolaire, l'autre élément étant une roue comprenant p + 1 dents. 6/ Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit pre- mier moyen comprend un alternateur (48) à 2 p p8les ayant un inducteur (47) lié à l'arbre au voisinage de ladite deuxième section et un induit (49) alimentant un premier stator (41) à 2 p8les tournant pratiquement à la vitesse de l'arbre porteur de l'information de phase et constituant l'un des élément du premier inducteur Vernier hétéropolaire, ledit induit alimentant un second stator (51) à 2 p p8les tournant prati- quement à la vitesse de l'arbre porteur de l'information de phase et constituant l'un des élément du second inducteur Vernier hétéropolaire, les autres éléments étant respectivement une roue magnétique (44) à p - 1 dents et une roue magnétique (45) à p + 1 dents. 7/ Dispositif selon la revendications 5 caractérisé en ce que les roues magnétique (44, 45) sont disposées respectivement entre un stator (42, et un récepteur (48, 58). Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit premier moyen est un élément allongé non torsible (72) fixé par une pièce (71) solidaire dudit arbre au voisinage de ladite seconde section et s'étendant entre ladite première et ladite deuxième section de façon à transmettre mécaniquement la phase de la deuxième section au niveau de la première.