Brevet FR2630542A1 — publié le 19891027

Capteur inductif fi réjection d'harioniques pour la dEtectann des déplacements radiaux d'un rotor La présente invention a pour objet un capteur inductif à réjection d'harmoniques pour la détection des déplacements radiaux d'un rotor par rapport à un stator, comprenant plusieurs paires de détecteurs solidaires du stator, chaque paire de détecteurs étant composée de deux détecteurs diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation du rotor, chaque détecteur étant constitué par une pièce en "U" en ferrite ou matériau ferromagnétique autour de laquelle est enroulée une bobine d'induction'et coopérant avec un anneau de référence réalisé en matière conductrice situé dans le même plan de section et solidaire du rotor pour créer un flux magnétique radial dans ledit anneau de référence. Les paliers magnétiques actifs radiaux de support d'un rotor comprennent des électro-aimants à excitation variable commandée par des capteurs de déplacement à l'aide de circuits électroniques d'asservissement. Les capteurs de déplacement sont sensibles aux variations de la position du rotor par rapport à une position de référence. Comme dans tout asservissement, les capteurs constituent un élément primordial de la précision et de la fiabilité du système asservi. Les capteurs de déplacement peuvent être de type optique ou capacitif mais les capteurs inductifs sont particulièrement avantageux. Un capteur inductif comprend un ensemble d'éléments inductifs à entrefer variable fixés sur le stator et coopérant avec un anneau de référence solidaire du rotor, qui est constitué par une couronne composée de tôles magnétiques ou réalisée en ferrite. L'anneau de référence doit être fabriqué avec un très grand soin. Pour compenser certains défauts d'usinage de cet anneau de référence, il est possible d'accroître le nombre d'éléments inductifs individuels et d'adopter pour ceux-ci une disposition spéciale telle que celle proposée par exemple dans le document US-A-4 114 960. Selon ce dernier document, on utilise pour une détection selon un axe -de référence XX' ou YY' perpendiculaire à l'axe du rotor quatre détecteurs situés dans un mêne plan perpendiculaire à l'axe du rotor. Une première paire de détecteurs diamétralement opposés est constituée par deux détecteurs inductifs en forme de U s'étendant chacun sur environ 150 de la périphérie du rotor et présentant un plan médian décalé de 30 par rapport à l'axe de référence considéré en créant un flux radial dans l'anneau de référence du rotor, et une seconde paire de détecteurs diamétralement opposés est également constituée par deux détecteurs inductifs en forme de U s'étendant chacun sur environ 150 de la périphérie du rotor et disposés autour du rotor de façon à être symétriques respectivement des détecteurs de la première paire par rapport à l'axe de référence considéré. Les quatre détecteurs sont connectés de telle façon que les signaux transmis par deux détecteurs de la même paire se retranchent algébriquement l'un de l'autre tandis que les signaux résultants transmis par les première et seconde paires de détecteurs s'ajoutent algébriquement de telle manière que les signaux de deux détecteurs placés symétriquement par rapport à l'axe de référence considéré s'ajoutent algébriquement.Avec un tel type de capteur, il est possible d'éliminer du signal transmis par le capteur aux circuits d'asservissement commandant les paliers magnétiques, parmi les perturbations provenant des variations du rayon de l'anneau de référence du rotor non seulement les harmoniques pairs mais également l'harmonique de rang 3. Cet avantage est toutefois obtenu au prix du doublement du nombre des détecteurs inductifs élémentaires, qui doivent être de petite taille, ce qui accroît le coOt et la complexité du capteur, surtout lorsque le détecteur doit être utilisé avec un rotor de faible diamètre. On connaît également par le document US-A-4 692 699 un dispositif de détection magnétique des déplacements radiaux d'un rotor, qui présente un fort taux de réjection de l'ensemble des harmoniques dO à la présence de défauts géométriques dans l'anneau de référence coopérant avec le dispositif de détection. Toutefois, dans ce cas, chaque élément inductif, qui crée un flux magnétique axial dans l'anneau de référence, s'étend sur un arc de cercle de l'ordre de 1200, ce qui oblige à disposer dans deux plans radiaux différents les éléments inductifs nécessaires aux détections selon deux directions de référence rectangulaires. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre la réalisation d'un capteur inductif dans lequel les perturbations provenant des irrégularités de l'anneau de référence soient éliminées de façon efficace au moins en ce qui concerne les harmoniques pairs et le troisième harmonique tandis que la structure du capteur est elle-même simplifiée par rapport à celle des capteurs inductifs connus a réjection d'harmoniques. Ces buts sont atteints grâce à un capteur inductif du type mentionné en tête de la description, qui, conformément à l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend deux paires de détecteurs s'étendant chacun sur environ 600 de la périphérie de l'anneau de référence, et en ce que chaque pièce en U de détecteur comprend des première et seconde branches symétriques par rapport à l'axe de référence radial selon lequel le détecteur correspondant détecte des déplacements radiaux du rotor par rapport au stator. Les pièces en U peuvent être rendues solidaires les unes des autres et faire partie d'une couronne découpée dans des tôles ferromagnétiques. De préférence, le capteur comprend deux paires de détecteurs dont les plans axiaux de symétrie sont perpendiculaires entre eux et définissent, par leurs intersections avec le plan radial unique contenant les deux paires de détecteurs, deux axes de référence XX', VY' perpendiculaires entre eux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la descriptSbn suivante de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique selon un plan radial d'un exemple de capteur inductif classique monté de manière à détecter les déplacements radiaux d'un rotor intérieur, la figure 2 est une vue en coupe selon un plan radial montrant un capteur inductif radial classique à réjection d'harmoniques coopérant avec un rotor extérieur, - la figure 3 est une vue en coupe selon un plan radial montrant un exemple de capteur inductif radial selon l'invention appliqué à un rotor extérieur, et - la figure 4 est une vue en coupe selon un plan radial montrant un exemple de capteur inductif radial selon l'invention appliqué à un rotor intérieur. La figure 1 montre de façon schématique un exemple de capteur inductif classique pour palier magnétique radial de support d'un rotor 1 par rapport à un stator. Le capteur inductif représenté sur la figure 1 comprend une partie fixe 20 comportantune première paire de détecteurs 21, 22 diamétralement opposés par rapport au rotor 1 selon un axe X'X et une seconde paire de détecteurs 23, 24 diamétralement opposés par rapport au rotor 1 selon un axe Y'Y. Chacun des détecteurs 21, 22, 23, 24 est constitué par une pièce en U 2 en ferrite ou matériau ferromagnétique autour de laquelle est enroulée une bobine d'induction 3. Les extrémités des pièces en U 2 sont placées en regard d'un anneau de référence 10 formé à la périphérie du rotor 1 et s'étendent sur un secteur angulaire de l'ordre de 10 à 300 environ selon les applications. Les détecteurs 21 à 24 et l'anneau de référence 10 définissent un capteur inductif dont les détecteurs 21 à 24 sont montés en pont de Whssxne . Les enroulements 3 des détecteurs 21 à 24 à entrefer variable en fonction de la position de l'anneau de référence 10, et donc du rotor 1, par rapport au stator, sont excités par un courant porteur de quelques dizaines de kilohertz fourni à partir d'un transformateur d'alimentation 30. Lorsque le rotor 1 dévie par rapport à se position de référence selon l'un des axes XX' ou YY', le pont de Wheatstone est déséquilibré par suite de la variation des entrefers des détecteurs 21, 22 ou 23, 24 et les tensions de déséquilibre ux ou uy constituent une mesure analogique des variations de position du rotor 1 selon les axes XX' et YY'. Les parties fixes 2, 3 des détecteurs 21 à 24 peuvent être rendues solidaires les unes des autres et les pièces en U 2 peuvent faire partie d'une couronne pouvant être découpée par exemple dans des tôles magnétiques en Fe-Si à 3 % avec une épaisseur de 0,1 mm. L'anneau de référence 10 fixé sur le rotor 1 peut luimême être constitué de tôles magnétiques par exemple également de 0,1 mm d'épaisseur. Le capteur inductif classique représenté sur la figure 1 est apte à détecter un déplacement radial du rotor 10 et à le transformer en un signal électrique qui est transmis à des circuits d'asservissement d'alimentation de paniers magnétiques actifs radiaux pour ramener le rotor 10 dans sa position normale. L'association de deux détecteurs diamétralement opposés 21, 22 ou 23, 24 dont les signaux sont soustraits algébriquement permet de multiplier pcr deux la sensibilité de détection selon un axe XX' ou YY' et d'éliminer l'ensemble des harmoniques pairs dus à la présence de défauts géométriques dans l'anneau de référence 11, mais ne permet pas de supprimer les harmoniques impairs de rang 3 ou de rang supérieur qui sont également produits par suite de défauts géométrique dans l'anneau de référence 11. Pour remédier à cet inconvénient, il a déjà été proposé une solution consistant à augmenter le nombre des détecteurs élémentaires constitués par des éléments ferromagnétiques en U munis d'enroulements, comme représenté sur la figure 2 en référence à une application à un capteur inductif pour rotor extérieur au stator. Selon ce mode de réalisation de l'art antérieur qui est décrit dans le document US-A-4 114 960, chacun des capteurs 1 de déplacement radial du rotor est constitué d'un disque la de centre lb situé sur l'axe théorique de rotation du rotor. Le disque la est placé perpendiculairement audit axe de rotation et solidaire du stator Sur la périphérie du disque la sont placés huit détecteurs ld, le, If, 1g, lh, li, li et lk, constitués chacun par une petite pièce magnétique en WU", par exemple en ferrite. Toutes ces petites pièces en "U" sont placées dans le plan du disque la de façon à tourner le creux de leur "U" vers l'extérieur du disque la et à avoir les extrémités des deux branches de leur Wun, dirigées radialement, situées sur la circonférence lc dudit disque la, en délimitant un arc de cercle de l'ordre de 150. Ces huit détecteurs sont destinés à coopérer avec une couronne circulaire en matière magnétique, par exemple en ferrite, 2d située dans le même plan que le disque la et solidaire du rotor. Dans la position théorique idéale du rotor, le centre 2e de la couronne circulaire 2d doit être situé sur l'axe de rotation et donc être confondu avec le centre lb du dispositif de détection 1. Ce dernier est précisément destiné à détecter les déplacements radiaux de ce centre 2e par rapport au centre fixe lb. Le disque la étant repéré suivant les deux axes perpendiculaires X'X et Y'Y passant par la centre lb dudit disque la, comme il est représenté sur la figure 2, les détecteurs ld, le, 1f et 1g sont destinés à détecter les déplacements du centre 2e suivant une direction parallèle à X'X, tandis que les détecteurs lh, -, li et 1k sont destinés, eux, à détecter -les déplacements dudit centre 2e suivant une direction parallèle à Y'Y. A cet effet, les deux détecteurs Id et le sont fixés au disque la de façon à avoir leur plan de symétrie S2 respectivement S1 passant par la perpendiculaire, en son centre lb, au disque la et à ce que les intersections desdits plans de symétrie radiaux S1 et S2 avec le plan de repère X'X, Y'Y fassent avec la droite X'X des angles de 300. La demi-droite de chacune de ces intersections issue du centre lb et coupant le. détecteur ld, ou le détecteur le, forme avec la demi-droite lb-X un angle algébrique de - 300, ou respectivement de + 300. Les deux détecteurs 1f et 1g sont fixés au disque la symétriquement par rapport à la perpendiculaire, en son centre lb, au disque la, respectivement aux détecteurs Id et le. Les quatre détecteurs lh, li, li et 1k qui présentent des plans de symatrie S4 ou S3 sont fixés dans la même position, par rapport à 'axe Y'Y, que les quatre détecteurs ld, le, If et respectivement par rapport à l'axe X'X; autrement dit, leur position se déduit respectivement de celle de chacun des quatre précédents par une rotation de 90 autour du centre lb du disque la. Un fil 11 est enroulé successivement autour de chacune des branches des quatre détecteurs ld, le, If et 19 montés en série dans l'ordre le, ld, lg, If. Les deuxextrémités du fil Il sont raccordées à un générateur de type connu en soi et non représenté. Les bobinages du fil Il autour de chacune des branches des détecteurs sont bobinés de telle façon qu'apparaissent, lors de son branchement sur ledit générateur, un pôle nord sur l'une des branches et un pôle sud sur l'autre de chaque détecteur, les pôles nord et sud étant placés symétriquement par rapport à l'axe X'X et à l'axe Y'Y comme il est représenté sur la figure 2 par les références N et S. De même un fil Im est enroulé successivement autour de chacune des branches des quatre détecteurs lh, li, li et 1k montés en série dans l'ordre li, lk, lh, li. Les deux extrémités du fil lm sont raccordées à un générateur de type connu en soi et non représenté.Les bobinages du fil In autour de chacune des branches des détecteurs sont bobinés de telle façon qu'apparaissent lors de son branchement sur ledit générateur, un pôle nord sur l'une des branches et un pôle sud sur l'autre de chacun des détecteurs, les pôles nord et sud étant placés symétriquement par rapport à l'axe X'X et à l'axa Y'Y, comme il est représenté sur la figure 2 par les références N et S. Un fil In destiné à transmettre le signal correspondant aux déplacements parallèlement à l'axe X'X du centre 2e détectés par le couple formé par les paires composées des détecteurs Id-If et le-Ig est branchée à une de ses extrémités sur le fil Il entre les détecteurs Id et 19 et à son autre extrémité à une chaîne d'asservissement connue en soi et non représentée. De mena un fil lo destiné à transmettre le signal. correspondant aux déplacements parallèlement à Y'Y du centre 2e détectés par le couple formé par les paires composées des détecteurs lh-li et li-11 est branché à une de ses extrémités sur le fil lu entre les détecteurs 1k et 1h et à son autre extrémité à une chaîne d'asservissement connue en soi et non représentée. Un dispositif tel que celui représenté sur la figure 2 permet de réduire efficacement non seulement les harmoniques pairs mais également l'harmonique de rang 3 de la décomposition en série de Fourier de la courbe représentant, en fonct-ion de l'angle polaire correspondant, la forme réelle du contour de l'anneau de référence 2d du rotor avec lequel doit coopérer le dispositif de détection. L'utilisation, par rapport au mode de réalisation de la figure 1, diun nombre deux fois plus grand d'éléments inductifs de base à flux radial constitués par des petites pièces en U ld à 1k situées dans un même plan radial rend la fabrication plus délicate et plus conteuse, surtout lorsqu'il s'agit de réaliser des dispositifs de détection destinés à équiper des petites machines comportant un rotor de faible diaraètre. Dans ce cas en effet, la réalisation de petites encoches de stator pour définir un grand nombre de pièces en U est particulièrement critique. Les modes de réalisation de la présente invention représentés sur les figures3 et 4 permettent de remédier aux inconvénients précités et de réaliser un capteur inductif à réjection d'harmoniques aussi performant que celui du type représenté sur la figure 2 tout en présentant une structure aussi simple que celle des capteurs inductifs classiques du type représenté sur la figure 1. Le mode de réalisation de la figure 3 stapplique à un rotor extérieur 110 muni d'un anneau de référence 111 en tôles ferromagnétiques, en ferrite ou simplement en un matériau conducteur rapporté sur sa face cylindrique interne. Le capteur inductif comprend, dans le même plan de section que l'anneau de référence 111, une première paire de détecteurs 121, 122 diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation du rotor 110, chacun des détecteurs 121, 122 comprenant une pièce en U 102 en ferrite ou matériau ferromagnétique fixée sur un mandrin central constituant le stator, et autour de laquelle est enroulée une bobine d'induction 103 créant dans chacune des branches 104, 105 du U un flux magnétique qui pénètre radialement dans l'anneau de référence 111, les lignes de champ magnétique se refermant par cet anneau.Chacune des pièces en U 102 des détecteurs 121, 122 s'étend sur un arc d'environ 600 en regard de la surface cylindrique interne de l'anneau de référence 111, les deux branches 104, 105 de chacune des pièces en U étant symétriques par rapport à un axe de référence XX' selon lequel les detecteurs 121, 122 détectent les déplacements radiaux du rotor par rapport au stator et qui est défini par l'intersection d'un plan axial de référence et du plan radial dans lequel est situé le capteur. Les enroulements 103 disposés autour de la partie centrale des deux détecteurs diamétralement opposés 121, 122 sont montés en série de façon à réaliser une- soustraction algébrique des signaux qu'ils délivrent comme pour le cas des détecteurs classiques du capteur de ia figure 1. Une seconde paire de détecteurs 123, 124 est réalisée de façon tout à fait semblable à la paire de détecteurs 121, 122 et est obtenue par une rotation de 900 des détecteurs 121, 122 par rapport à l'axe du rotor 110. Les détecteurs 123, 124 visent à détecter les déplacements radiaux du rotor 110 selon une direction Y'Y perpendiculaire à la direction X'X et chacun des détecteurs 123, 124 est symétrique par rapport à un plan axial contenant l'axe Y'Y et s'étend de part et d'autre de ce plan de symétrie sur un arc de cercle d'environ 300, de sorte que les pièces polaires 104, 105 des détecteurs 123, 124 font face à l'anneau de référence 111 en définissant un faible entrefer et définissent avec l'axe du rotor un secteur angulaire de l'ordre de 600. Les enroulements 103 des détecteurs 123, 124 sont montés en série comme les enroulements 103 des détecteurs 121, 122. La combinaison de deux paires de détecteurs 121, 122, 123, 124 présentant la configuration représentee sur la figure 3 permet d'éliminer complètement., avec une structure simple facile à réaliser, les harmoniques de rang pair et l'harmonique de rang 3. de la décomposition en série de Fourier de la courbe correspondant à la forme réelle du contour de l'anneau de référence 111, et permet de réaliser une détection radiale selon deux -directions rectahgulaires XX', YY' en maintenant tous les détecteurs 121 à 124 dans un même plan radial. Naturellement, les pièces en U 102 des différents détecteurs 121 à 124 d'un même capteur peuvent être formées par découpes à partir d'un même empilement de tôles et être solidaires les unes des autres comme représenté sur la figure 3.Le nombre d'encoches à réaliser dans les tôles est dans ce cas réduit à huit dont quatre encoches de grande taille très faciles à réaliser. Le mode de réalisation de la figure 4 est tout à fait semblable à celui de la figure 3 mais concerna une application à un rotor interne 210. Les deux paires de détecteurs diamétralement opposés 221, 222 et 223, 224 sont ainsi placées autour du rotor 210 à I'extérieur de celui-ci, chacun des détecteurs 221 à 224 faisant face à un anneau de référence 211 rapporté sur le rotor 210. Comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 3, chaque détecteur 221 à 224 s'étend sur un arc de cercle d'environ 600 autour de l'anneau de référence 211 et comporte une pièce en U 202 munie d'un enroulement 203 et présentant des pâles 204, 205 formant un secteur angulaire de 60 avec l'axe du rotor 210. De le sorte, le capteur assure un taux de réjection élevé des harmoniques pairs et de l'harmonique de rang 3 tout en définissant un dispositif moins complexe que celui de la figure 2 et aussi facile à fabriquer que le capteur de la figure 1 qui, lui, ne permet pas d'assurer l'élimination d'harmoniques de rang impair. Revendications 1. Capteur inductif à réjection d'harmoniques pour la détection des déppsements radiaux d'un rotor par rapport à un stator, compranarit p sieurs paires de détecteurs (121, 122 et 123, 124; 221, 222 et 223, 224) solidaires du stator, chaque paire de détecteurs (121,-122, 123, 124; 221, 222, 223, 224) étant composée de deux détecteurs diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation du rotor, chaque détecteur étant constitué par une pièce en "U" (102; 202) en ferrite ou matériau ferromagnétique autour de laquelle est enroulée une- bobine d'induction (103; 203) et coopérant avec un anneau de référence (111; 211) réalisé en matière conductrice situé dans le même plan de section et solidaire du rotor (110; 210) pour créer un flux magnétique radial dans ledit anneau de référence (111; 211), caractérisé en ce qu'il comprend deux paires de détecteurs (121, 122 et 123, 124; 221, 222 et 223, 224) s'étendant chacun sur environ 60C de la périphérie de l'anneau de référence (111; 211), et en ce que chaque pièce en U (102; 202) de détecteur comprend des première et seconde branches (104, 105; 204, 205) symétriques par rapport à l'axe de référence radial (XX' ou W') selon lequel le détecteur correspondant détecte des déplacements radiaux du rotor par rapport au stator. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces en U (102; 202) sont rendues solidaires les unes des autres et font partie d'une couronne découpée dans des tôles ferromagnétiques. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux paires de détecteurs (121, 122 et 123, 124; 221, 222 et 223, 224) dont les plans axiaux de symétrie sont perpendiculaires entre eux et définissent, par leurs intersections avec le plan radial unique contenant les deux paires de détecteurs, deux axes de référence (XX!, YY') perpendiculaires entre eux. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les quatre détecteurs (121 à 124) sont solidaires d'un mandrin central et présentent des branches polaires (104, 105) radiales orientées verS l'extérieur pour coopérer avec la face cylindrique interne d'un anneau de référence (111) solidaire d'un rotor extérieur (110). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les quatre détecteurs (221 à 224) sont solidaires d'un bâti extérieur et présentent des branches polaires (204, 205) radiales orientées vers l'intérieur pour coopérer avec la face cylindrique externe d'un anneau de référence (211) solidaire d'un rotor intérieur (210).