Brevet FR2677757A1 — publié le 19921218

CaPteur de Position angulaire absolue à réluctance variable. La présente invention concerne, d'une façon générale, le domaine des capteurs de position angulaire absolue et, plus spécifiquement, elle concerne des perfectionnements apportés aux capteurs de position angulaire absolue à réluctance variable, comportant un rotor en un matériau ferromagnétique tournant devant au moins un détecteur statorique comportant au moins une bobine à noyau. On connaît déjà un certain nombre de dispositifs permettant de réaliser la fonction de détection de position angulaire absolue. En général, le capteur est constitué de parties fixes (stator) et de parties tournantes (rotor) qui sont reliées mécaniquement entre elles, par des roulements par exemple. De tels assemblages présentent inévitablement des jeux, qui sont préjudiciables à la qualité et à la précision des informations obtenues. Le document DE-2 432 032 décrit un capteur comportant un disque excentrique tournant face à une pluralité de bobines fixes à noyau. Le document FR 2 644 240 présente un capteur reposant sur un principe analogue. Dans les deux cas, l'information est obtenue à l'aide d'une mesure différentielle. En présence d'un jeu radial de la partie tournante, l'un des entrefers formé entre la partie tournante et l'une des bobines augmente, tandis que l'entrefer formé entre la partie tournante et une autre bobine diminue de la même façon que ce qui se produit lors d'une rotation de la partie tournante. Lorsqu'on fait la différence des signaux, les termes dus au jeu s'ajoutent : le jeu radial est donc traduit comme une information de rotation, qui affecte défavorablement l'information vraie recherchée. Ce capteur connu est donc sensible au jeu radial. Le document GB 1 245 697 présente un capteur à réluctance variable donnant la position angulaire absolue à partir des variations d'entrefer que voient plusieurs bobines à noyau disposées dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation d'une pièce rotorique constituée par un disque d'épaisseur variable (les deux faces transversales à l'axe de rotation ne sont pas parallèles entre elles). La variation d'entrefer est donc axiale. La mesure différentielle fournit un signal de sortie qui est proportionnel à l'information (variation d'entrefer due à la rotation et inversement proportionnelle à la valeur moyenne de l'entrefer). Un jeu axial entre parties rotorique et statorique provoque un changement de cette valeur moyenne, donc modifie le signal de sortie.Cette modification ne peut pas être différenciée d'une variation due à la rotation de la partie tournante. Ce capteur connu est donc sensible au jeu axial. En outre, si ce même dispositif présente un jeu angulaire (basculement de l'axe du rotor dans un plan contenant cet axe), les entrefers existant entre chaque bobine et le rotor varient en sens opposés, comme ils le feraient lors d'une rotation. Ce capteur connu est donc également sensible au jeu angulaire. L'invention a essentiellement pour objet de remédier aux inconvénients précités des dispositifs antérieurs et de proposer un capteur perfectionné de position angulaire absolue à réluctance variable qui soit insensible aux inévitables jeux radiaux et/ou axiaux et/ou angulaires existant entre les parties fixes ou parties statoriques et les parties tournantes ou parties rotoriques. A ces fins, un capteur du type défini au préambule, étant agencé conformément à l'invention, se caractérise essentiellemement en ce que - le noyau de la bobine du détecteur statorique est constitué sous forme d'un élément recourbé ouvert, notamment d'un U ou d'une boucle ouverte, dont les extrémités en regard définissent une ouverture, - et le rotor est constitué sous forme d'une bague annulaire qui est engagée dans l'ouverture de l'élément recourbé ouvert et qui présente une section radiale variable angulairement apte à faire varier la réluctance du circuit magnétique selon une loi prédé terminée lors de la rotation du rotor. Grâce à l'agencement conforme à l'invention, en raison même du fait que la bague rotorique défile entre les extrémités en regard de l'élément recourbé ouvert, tout jeu relatif radial ou angulaire existant entre partie rotorique et partie statorique provoque une diminution de l'un des entrefers qui s'accompagne d'un accroissement de même importance de l'autre entrefer. Ainsi, pour chaque section transversale du rotor, la somme des deux entrefers reste constante et le jeu mécanique radial et/ou angulaire entre partie rotorique et partie statorique n'influence plus les informations fournies par le capteur. Dans une forme possible de réalisation, le noyau de la bobine du détecteur statorique est en forme de U et la bague rotorique est disposée de façon enfoncée entre les branches du U de manière à être éloignée des extrémités libres desdites branches. Dans une autre forme possible de réalisation, le noyau de la bobine du détecteur statorique est en forme d'anneau ouvert ou de boucle ouverte à extrémités se faisant face et la bague rotorique présente une hauteur supérieure à celle desdites extrémités. Autrement dit, dans un cas comme dans l'autre, l'une des pièces face à face (les branches du noyau en U dans le premier cas et la bague rotorique dans le second cas) possède une dimension axiale bien supérieure à la dimension axiale de la pièce en vis-à-vis (respectivement la bague rotorique dans le premier cas et les extrémités de l'élément recourbé ouvert dans le second cas).On s'affranchit ainsi de l'influence d'un possible jeu axial entre partie rotorique et partie statorique. Ainsi la combinaison des dispositions ci-dessus indiquées pour le capteur de l'invention permet d'éliminer une quelconque influence des jeux axiaux et/ou radiaux et/ou angulaires. En pratique, les formes géométriques données notamment aux faces en regard de la bague rotorique et des extrémités associées de l'élément recourbé ouvert sont simples. On peut alors prévoir que les faces en regard des extrémités de l'élément recourbé ouvert statorique sont mutuellement sensiblement parallèles, que les faces de la bague annulaire rotorique engagées dans ladite ouverture sont également mutuellement sensiblement parallèles et sensiblement parallèles aux faces desdites extrémités de l'élément recourbé ouvert statorique Quelle que soit la forme de l'élément recourbé ouvert, la largeur moyenne E de chaque section transversale de la bague rotorique peut être variable. Dans ce cas, un mode de réalisation particulièrement simple peut consister en ce que la bague rotorique possède deux faces radialement externe et interne circulaires qui possèdent des axes parallèles et mutuellement décalés. En outre r dans le cas où le noyau de la bobine est en forme de U, on peut prévoir, soit isolément, soit en combinaison avec la disposition précédemment indiquée consistant en ce que la largeur moyenne soit variable r que la hauteur moyenne h de chaque section transversale de la bague rotorique soit variable. Dans un exemple d'exécution de réalisation simple, la bague rotorique est supportée sur l'arbre tournant par l'intermédiaire d'une pièce de support en matériau amagnétique. Compte tenu de la forme non symétrique de révolution que présente la partie rotorique agencée selon l'invention, il est souhaitable de compenser le balourd qui en résulte de manière à obtenir une partie rotorique parfaitement équilibrée. A cet effet, on prévoit que la bague rotorique soit noyée dans un enrobement cylindrique de révolution de hauteur constante centré sur l'axe de l'arbre tournant, ledit enrobement cylindrique étant constitué en un matériau amagnétique ayant sensiblement la même masse volumique que le matériau ferromagnétique constitutif de la bague rotorique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un premier mode de réalisation d'un capteur agencé conformément à l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de face de deux variantes du mode de réalisation de la figure 1 - la figure 4 est une vue schématique de face d'un second mode de réalisation d'un capteur agencé conformément à l'invention - la figure 5 est une vue de côté, en coupe diamétrale, d'une bague rotorique utilisable dans le second mode de réalisation de la figure 4 ; et - la figure 6 est une vue de côté r en coupe diamétrale, d'un rotor agencé conformément à l'invention. L'agencement conformément à l'invention d'un capteur de position angulaire absolue à réluctance variable consiste à combiner essentiellement deux dispositions - d'une part, la variation d'un paramètre géométrique d'une pièce rotorique du capteur destinée à servir d'élément de repérage angulaire pour identifier la position angulaire absolue de cette pièce rotorique et, à travers celle-ci, d'un organe tournant qui en est solidaire en rotation, - et, d'autre part, un positionnement relatif de la pièce rotorique et d'une pièce statorique du capteur tel que d'éventuels jeux radiaux et/ou axiaux et/ou angulaires entre ces pièces rotorique et statorique n'influencent pas les informations détectées. A cet effet on prévoit que, dans le capteur de position angulaire absolue à réluctance variable qui comporte une pièce rotorique ou rotor en un matériau ferromagnétique tournant devant au moins un détecteur statorique comportant au moins une bobine à noyau, les deux dispositions suivantes soient réunies - le noyau de la bobine du détecteur statorique est constitué sous forme d'un élément recourbé ouvert dont les extrémités en regard définissent entre elles une ouverture - le rotor est constitué sous forme d'une bague annu laire qui est engagée dans l'ouverture de ltélément recourbé ouvert et qui présente une section radiale variable apte à faire varier la réluctance du circuit magnétique selon une loi prédéterminée lors de la rotation du rotor. Dans un premier mode de réalisation représenté schématiquement en vue de dessus à la figure 1, le capteur comprend une pièce rotorique ou rotor 1 constituée par une bague annulaire 2 supportée par des bras radiants 3 sur un arbre tournant 4. Dans ce mode de réalisation, la bague annulaire 2 possède une épaisseur variable angulairement ; la variation d'épaisseur peut s'effectuer selon toute loi souhaitée appropriée aux exigences de l'application envisagée. Dans le cas représentés la variation est continue etr à cet effet la bague 2 est délimitée par deux surfaces interne 5 et externe 6 qui sont cylindriques de révolution avec des axes différents r la surface externe 6 étant coaxiale à l'arbre 4. La bague annulaire 2 est constituée en un matériau ferromagnétique tandis que les éléments de support (bras radiants 3) sont constitués en un matériau amagnétique. Au rotor 1 est associée une pièce statorique comportant au moins un détecteur fixe 7 qui est agencé sous forme d'une bobine 8 à noyau ferromagnétique 9 constituant un élément recourbé ouvert, dont les extrémités définissent une ouverture dans laquelle est engagée la bague annulaire 2. Le nombre des détecteurs est fonction du type de détection souhaité et on peut prévoir un second détecteur (représenté en trait mixte sur le dessin) par exemple diamétralement opposé au premier détecteur. A la figure 2, on a représenté un premier exemple de réalisation du dispositif de la figure 1, dans lequel exemple le noyau 9 de la bobine de détection est en forme de U. Sur la figure 2, on a figuré par le trait mixte 2a la section d'épaisseur minimale de la bague annulaire 2 et par le trait mixte 2b la section d'épaisseur maximale de ladite bague. La bague annulaire 2 doit être suffisamment enfoncée entre les deux branches du U de manière que tout mouvement axial de l'arbre 4 dû à des jeux n'amène pas de modification sensible dans la géométrie des lignes de champ entre lesdites branches du U et la bague, et donc n'affecte pas le signal électrique recueilli aux bornes de la bobine 8. Dans un second exemple de réalisation représenté à la figure 3r le noyau 9 est en forme de boucle ouverte ou d'anneau ouvert dont les extrémités présentent une hauteur nettement inférieure à la hauteur de la bague annulaire 2 de telle sorte que celle-ci dépasse aussi bien au-dessus qu'au-dessous desdites extrémités du noyau 9. On obtient ainsi un avantage identique à celui précédemment mentionné pour l'exemple de réalisation de la figure 2, savoir une absence de modification de la géométrie des lignes de champ en cas de jeu axial de l'arbre 4, et donc une indépendance du signal de sortie de la bobine vis-à-vis d'un tel jeu axial. Dans un second mode de réalisation représenté à la figure 4r la bague annulaire 2 possède une hauteur variable angulairement ; la variation de hauteur peut s effectuer selon toute loi souhaitée appropriée aux exigences de l'application envisagée. Dans l'exemple représenté à la figure 5, la variation de hauteur de la bague 2 est régulière entre une valeur minimale (repère 2c sur les figures 4 et 5) et une valeur maximale (repère 2d sur les figures 4 et 5). En raison du fait que la hauteur variable de la bague est le paramètre induisant une variation concommittante du signal de sortie de la bobine 8, une telle bague ne peut pas être associée au noyau en boucle ouverte de la figure 3 et doit être utilisée avec un noyau en Ur toujours en respectant un enfoncement suffisant de la bague 2 entre les deux branches du U afin qu'un jeu axial de l'arbre 4 n'influe pas sur le signal de sortie de la bobine. Bien entendu, la forme de la bague 2 représentée à la figure 5 (la bague étant délimitée par deux plans sécants dont un est perpendiculaire à sa paroi latérale externe) n'est donnée qu'à titre d'exemple. D'autres formes peuvent tout aussi bien être retenues en fonction des applications. Par ailleurs r on conçoit que l'on peut également combiner éventuellement une variation angulaire d'épaisseur de la bague 2 avec une variation angulaire de sa hauteur, ce qui peut permettre d'améliorer les performances du capteur. La variation souhaitée de la réluctance sera alors obtenue par une variation du rapport h/E (h étant la hauteur et E l'épaisseur de chaque section radiale de la bague 2). Si la géométrie de la bague est telle que les faces opposées de la bague définissant la hauteur et la largeur ne sont pas sensiblement parallèles r on pourra prendre pour h et E respectivement la hauteur moyenne et la largeur moyenne de la section radiale considérée (voir figure 6). Toujours est-il que, quel que soit le paramètre utilisé (épaisseur variable et/ou hauteur variable on notera que tout jeu radial de l'arbre 4 qui tend à modifier l'un des entrefers (e1 + E par exemple) entraîne simultanément une modification concommittante de l'autre entrefer d'une valeur identique et de signe contraire (e2 - e par exemple). De ce fait, la somme des entrefers e1 + e2 conserve une valeur constante quels que soient les jeux radiaux de l'arbre 4.Ainsi l'amplitude du signal recueilli aux bornes de la bobine 8, qui dépend de l'inductance de ladite bobine, laquelle dépend de la réluctance du circuit magnétique qui à son tour est dépendante de l'entrefer total (somme des entrefers el et e2), reste indépendante d'éventuels jeux radiaux de l'arbre 4 par rapport aux parties statoriques. Quant à un éventuel jeu angulaire de l'arbre 4 provoqué par un basculement de l'arbre dans un plan contenant cet axe, il se traduit par une modification de largeur des deux entrefers qui ne présentent plus une valeur constante sur toute la dimension axiale des faces en regard du rotor et du stator.Ainsi, la largeur e1 de l'un des entrefers peut augmenter dans un sens axial (par exemple de bas en haut sur les dessins) d'une quantité C dépendant de l'emplacement axial (e1 + e) tandis que la largeur e2 de l'autre entrefer décroît de façon concommittante dans le même sens axial de la même quantité pour le même emplacement axial (e2 - Globalement, la somme des deux entrefers reste donc constante (e1 + e2) et le dispositif n'est pas sensible à ce jeu angulaire.Pour éviter le balourd introduit par la dissymétrie de la bague annulaire agencée conformément aux indications précitées (épaisseur variable et/ou hauteur variable), notamment dans un dispositif dont la partie rotorique tourne à vitesse élevée, on prévoit comme représenté à la figure 6, de noyer la bague annulaire 2 agencée (en épaisseur et/ou en hauteur) de la manière souhaitée pour l'application envisagée dans un enrobement 10 cylindrique de révolution de hauteur constante centrée sur l'axe A de l'arbre 4. Cet enrobement 10 est constitué en un matériau amagnétique ayant sensiblement la même masse volumique que le matériau ferromagnétique de la bague 2. On constitue ainsi un rotor Il présentant une bonne homogénéité radiale du point de vue des masses et exempt de balourd. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Capteur de position angulaire absolue à réluctance variable r comportant un rotor en un matériau ferromagnétique tournant devant au moins un détecteur statorique comportant au moins une bobine à noyau, caractérisé en ce que - le noyau (9) de la bobine (8) du détecteur statorique est constitué sous forme d'un élément recourbé ouvert, notamment d'un U ou d'une boucle ouverte, dont les extrémités en regard définissent une ouverture, - et le rotor est constitué sous forme d'une bague annulaire (2) qui est engagée dans l'ouverture de l'élément recourbé ouvert et qui présente une section radiale variable angulairement apte à faire varier la réluctance du circuit magnétique selon une loi prédéterminée lors de la rotation du rotor, ce grâce à quoi r -pour chaque section transversale du rotorr la somme des deux entrefers définis entre les faces en regard du rotor et des deux extrémités de l'élément recourbé ouvert reste constante même en présence d'un jeu éventuel entre rotor et stator. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau (9) de la bobine (8) du détecteur statorique est en forme de U et en ce que la bague rotorique (2) est disposée de façon enfoncée entre les branches du U de manière à être éloignée des extrémités libres desdites branches. 3. Capteur selon la revendications 1, caractérisé en ce que le noyau (9) de la bobine (8) du détecteur statorique est en forme d'anneau ouvert ou de boucle ouverte à extrémités se faisant face et en ce que la bague rotorique (2) présente une hauteur supérieure à celle desdites extrémités. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faces en regard des extrémités de l'élément recourbé ouvert statorique sont mutuellement sensiblement parallèles, en ce que les faces de la bague annulaire rotorique engagées dans ladite ouverture sont également mutuellement sensiblement parallèles et sensiblement parallèles aux faces desdites extrémités de l'élément recourbé ouvert statorique, et en ce que la variation de la réluctance est provoquée par une variation du rapport h/Er h étant la hauteur moyenne de chaque section transversale de la bague annulaire rotorique et E la largeur moyenne de ladite section. 5. Capteur selon la revendication 2 ou 3 en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur moyenne E de chaque section transversale de la bague rotorique est variable. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague rotorique (2) possède deux faces radialement externe (6) et interne (5) circulaires qui possèdent des axes parallèles et mutuellement décalés. 7. Capteur selon les revendication 2 et 4, caractérisé en ce que la hauteur moyenne h de chaque section transversale de la bague rotorique est variable. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bague rotorique (2) est supportée sur l'arbre tournant (4) par l'intermédiaire d'une pièce de support (3) en matériau amagnétique. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications i à 8, caractérisé en ce que la bague rotorique (2) est noyée dans un enrobement (10) cylindrique de révolution de hauteur constante centré sur l'axe de l'arbre tournant, ledit enrobement cylindrique étant constitué en un matériau amagnétique ayant sensiblement la même masse volumique que le matériau ferromagnétique constitutif de la bague rotorique.