Brevet FR2677758A1 — publié le 19921218

CAPTEUR ANGULAIRE À TRANSFORMATEUR DIFFÉRENTIEL La présente invention conèrne les capteurs angulaires à transformateur différentiel. A titre de rappel, le principe général d'un capteur de déplacement à transformateur différentiel est illustré de façon très schématique en figure 1 dans le cas d'un capteur linéaire. Ce capteur comprend un transformateur dont le primaire 1 est associé à des bornes d'alimentation Ai et A 2 A ce primaire, sont associés deux enroulements secondaires 2 et 3 connectés en série et en opposition sur des bornes Bl et B 2 Un noyau magné-10 tique 4 couple l'enroulement primaire aux enroulements secondaires La longueur de ce noyau magnétique est insuffisante pour assurer un couplage complet de chacun des secondaires au pri- maire Ce noyau est mobile en translation dans la direction de la flèche 5.15 Le noyau 4 est représenté à une position médiane, dite position d'équilibre, dans laquelle il assure un couplage iden- tique entre le primaire 1 et chacun des secondaires 2 et 3. Alors, quand une tension alternative est appliquée entre les bornes Al et A 2, une tension nulle est recueillie entre les20 bornes Bl et B 2 Par contre, si le noyau est déplacé en transla- tion dans un sens ou dans 1 'autre par rapport à la position d'équilibre, les secondaires 2 et 3 sont couplés de façon dissymétrique par rapport à l'enroulement primaire 1 et les tensions à leurs bornes ne s'annulent plus On obtient alors entre les bornes Bl et B 2 une tension dont la valeur dépend de l'amplitude du déplacement On montre que la variation de tension est proportionnelle au déplacement au moins sur une certaine plage autour de la position d'équilibre. On a tenté dans l'art antérieur d'utiliser le principe du transformateur différentiel pour réaliser un capteur angulaire au lieu d'un capteur linéaire. Un exemple de capteur angulaire de l'art antérieur est illustré en figure 2 Ce capteur est destiné à détecter la posi- tion en rotation d'un axe 11 tournant sur des paliers ménages dans une carcasse 12 Ce capteur comprend un enroulement primai- re 13 disposé sensiblement dans un plan radial pour fournir un champ dirigé axialement Des premier et second enroulements secondaires 14 et 15 sont disposés symétriquement par rapport à l'axe 11 dans des plans perpendiculaires au plan du premier15 enroulement 13 Ces enroulements 14 et 15 sont bobinés autour de pièoes polaires 16 et 17 tournées vers l'axe Un circuit magné- tique relie ces pièoes polaires 16 et 17 à l'arrière de la bobine 13. L'axe 11 est ovalisé ou comprend un revêtement magné- tique 18 de forme ovale Dans la figure 2, on a représenté la partie ovalisée tournée du côté de la pièoe polaire 16 Ainsi, le flux magnétique produit par la bobine 13 s'écoule par l'axe 11 et le revêtement 18 essentiellement vers la pièoe polaire 16 pour venir se refermer vers l'arrière de la bobine 13 A la position d'équilibre, le champ se referme symétriquement en passant par les pièoes polaires 16 et 17. Ces montages de l'art antérieur fonctionnent de façon satisfaisante et permettent couramment de détecter avec préci- sion des décalages de position allant jusqu'à quelques dizaines de degrés par rapport à la position d'équilibre Toutefois, ils présentent deux inconvénients principaux Le premier inconvé- nient réside dans la susèptibilité aux perturbations magnéti- ques extérieures arrivant par l'axe de rotation Le deuxième inconvénient réside dans le fait que de tels capteurs sont iné-35 vitablement relativement encombrants. Un objet de la présente invention est de prévoir un capteur angulaire à transformateur différentiel qui puisse être de très petites dimensions. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un capteur angulaire à transformateur différentiel qui soit facile à fabriquer et à monter. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un capteur angulaire à transformateur différentiel qui soit insensible aux champs magnétiques externes.10 Pour atteindre ès objets ainsi que d'autres, la pré- sente invention prévoit un capteur angulaire à transformateur différentiel pour déterminer la position angulaire d'un axe par rapport à une position d'équilibre comprenant autour dudit axe un bobinage primaire dans un premier plan perpendiculaire à l'axe Le capteur comprend: un autre bobinage primaire dans un deuxième plan perpendiculaire à l'axe; deux bobinages secondai- res tournés à 1800 l'un par rapport à l'autre autour de l'axe et disposés respectivement dans le premier et le deuxième plans; et dans un troisième plan parallèle aux deux premiers et compris20 entre ceux-ci, un secteur de disque en un matériau ferra"agné- tique, ce secteur occultant symétriquement les deux bobinages secondaires à la position d'équilibre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les bobinages primaires et secondaires sont des bobines plates. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdites bobines plates sont réalisées sous forme de circuit imprimé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des bobinages secondaires est enroulé autour d'une demi- couronne en un matériau magnétique centrée sur ledit axe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les bobinages primaires sont enroulés autour d'une partie de l'axe en un matériau magnétique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des bobinages primaires est disposé avec l 'un des bobi- nages secondaires dans un demi-pot en un matériau magnétique, chaque demi-pot comprenant un fond en forme de disque muni d'une couronne périphérique en saillie, la couronne périphérique de chaque demi-pot étant dimensionnée pour en position montée, venir s'appuyer sur la couronne de l'autre demi-pot. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des bobinages secondaires est disposé autour d'une demi- couronne intérieure en saillie. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur est encastré dans une embase munie de paliers pour l'axe et fermée par un capot monté sur l'embase pour protéger le capteur en laissant un espaoe pour contenir des circuits élec- troniques de commande et de détection. Il résulte de la structure selon la présente invention et notamment du fait que les enroulements primaire et secondai- res sont dans des plans parallèles que la structure peut être extrêmement miniaturisée, les pièoes de fermeture du circuit magnétique pouvant également être de petites dimensions. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention sont exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particu- liers faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 représente schématiquement le principe connu d'un capteur linéaire à transformateur différentiel; la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un capteur angulaire à transformateur différentiel selon l'art antérieur; la figure 3 A représente une vue de côté en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur angulaire à transformateur dif- férentiel; les figures 3 B et 3 C représentent des vues de face des bobinages primaire et secondaires du capteur angulaire de la figure 3 A; les figures 4 A et 4 B illustrent respectivement une vue de côté en coupe et une vue de dessus en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur angulaire à transformateur différentiel selon la présente invention; et la figure 5 illustre un mode de réalisation d'un élé- ment des figures 4 A et 4 B. La figure 3 A illustre une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur angulaire destiné à déterminer la position angulaire d'un axe 21 traversant un palier prévu dans une embase 22 Ce palier est représenté à titre d'exemple sous forme d'un double roulement à billes Un enroulement primaire 23 dont un exemple de configuration sera décrit plus en détail en relation avec la figure 3 C est disposé sensiblement dans un plan orthogonal à l'axe 21 En face de cet enroulement primaire, et dans un plan parallèle à cet enroulement sont disposés un premier enroulement secondaire 24 et un second enroulement secondaire 25 dont les dispositions seront exposées plus en détail en relation avec la figure 3 B L'enroulement primaire 23 est disposé dans un premier demi-pot en matériau magnétique, par exemple en ferrite, 27 et les enroulements secondaires 24 et 25 sont disposés dans un demi-pot similaire 28. En se référant aux figures 3 A, 3 B et 3 C, on notera que chacun des demi-pots comprend un fond, respectivement 30 et 31, et une couronne périphérique en saillie, respectivement 32 et 33, ayant une hauteur telle qu'en position montée, ces couronnes périphériques butent l'une contre l'autre comme le représente la figure 3 A. En outre, chacun des demi-pots comprend une couronne en saillie intérieure ayant une fonction de pièoe polaire autour de laquelle sont bobinés les enroulements Cette couronne inté- rieure est en deux parties symétriques 35 et 36 dans le demi-pot 28 et peut être en une seule partie 37 munie d'une ouverture de passage de fils dans le demi-pot 27 En outre, le demi-pot 27 comprend une ouverture centrale 38 de passage d'axe. En pratique, la couronne intérieure du demi-pot 27 sera en deux parties comme les couronnes 35 et 36 du demi-pot 28 et le demi-pot 28 comprendra une ouverture centrale similaire à celle du demi-pot 27 de sorte que ces deux demi-pots soient5 strictement identiques ce qui réduit les coûts de fabrication, bien que cela ne soit pas nécessaire au fonctionnement du dis- positif. Comme le représente la figure 3 C, l'enroulement pri- maire est de préférenoe prévu pour émettre un champ en couronne, un fil 40 étant bobiné de la façon illustrée pour faire le tour extérieur puis le tour intérieur de la couronne 37 Comme le représente la figure 3 B, chacun des enroulements secondaires est enroulé autour de l'une des demi-couronnes 35 et 36 Ces deux enroulements sont reliés en série à des bornes Bl et B 2 de façon15 que les courants induits s'opposent quand les enroulements secondaires reçoivent un même flux. Entre les enroulements primaire et secondaires est disposé un secteur tournant 50 solidaire de l'arbre 21 Ce sec- teur tournant est représenté en pointillés dans sa position de20 repos à la figure 3 B Un mode de montage particulier du secteur tournant sur l'axe 21 est illustré en figure 3 A mais d'autres montages similaires apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi, le champ magnétique produit par l'enroulement primaire 23 tend à passer par la pièce polaire constituée par la couronne 37 à travers le secteur tournant en matériau magnétique vers les pièces polaires constituées par les demi- couronnes en matériau magnétique 35 et 36 Ce champ se referme par le fond 31 du demi-pot 28, les couronnes périphériques 33 et 32 des demi-pots et le fond 30 du demi-pot 27 Quand le secteur tour- nant est déplacé par rapport à la position d'équilibre illustrée en figure 3 B, la tension apparaissant aux bornes Bi, B 2 des enroulements secondaires en série constitue une représentation linéaire de la déviation angulaire de l'axe 21 L'expérience montre que cette variation est très linéaire sur une amplitude angulaire de 400 environ par rapport à la position d'équili- bre. Un avantage de la disposition en couronne du champ primaire comme cela résulte de la disposition de la figure 3 C est qu'aucun champ si ce n'est un léger champ parasite ne passera par l'axe du dispositif et donc que ce dispositif est insensible aux champs magnétiques externes. Comme cela est illustré en figure 3 A, une fois montés, les demi-pots 27 et 28 peuvent être encastrés dans l'embase 22. Un capot 51 permet de protéger l'ensemble de l'atm"osphère exté- rieure et peut contenir les divers circuits électroniques de détection de tension et de mesure d'angle. La figure 4 A illustre une variante selon la présente invention du capteur des figures 3 A à 3 C Au bout de l'axe 21 (figure 3 A) est fixé un cylindre 52 en un matériau ferranagné- tique Le cylindre 52 comprend à mi-hauteur un secteur tournant 54 perpendiculaire au cylindre 52 Ce secteur 54 est en un matériau ferromagnétique et est, soit rapporté sur le cylindre 52, soit réalisé en m&me temps que celui-ci Deux enroulements primaires fixes 56 et 58 sont bobinés autour du cylindre 52 de part et d'autre du secteur 54 dans des plans parallèles à ce dernier De part et d'autre du secteur 54 et symétriquement par rapport à l'axe 21 sont disposés un premier enroulement secon-25 daire 60 sensiblement dans le plan de l'enroulement primaire 56 et un deuxième enroulement secondaire 62 sensiblement dans le plan de l'enroulement primaire 58 Les dispositions des enroule- ments secondaires seront exposées plus en détail en relation avec la figure 4 B.30 Les enroulements 56 et 60 sont disposés dans un demi- pot supérieur en matériau ferromagnétique 64 et les enroulements 58 et 62 sont disposés dans un demi-pot inférieur identique 65 tourné à 1800 par rapport au supérieur. En se référant aux figures 4 A et 4 B, on notera que chacun des demi- pots comprend un fond, respectivement 67 et 68, et une couronne périphérique en saillie, respectivement 69 et 70, ayant une hauteur telle qu'en position montée, ces couronnes périphériques butent l'une contre l'autre comme le représente la figure 4 A. En outre, chacun des demi-pots comprend une demi-cou- ronne, respectivement 71 et 72, en saillie intérieure, ayant une fonction de pièce polaire, et autour de laquelle est bobiné l'un10 des enroulements secondaires La forme de ces demi-couronnes intérieures est plus visible à la figure 4 B qui représente une vue de faè en coupe selon les flèches A de la figure 4 A, o les éléments se trouvant derrière le plan de coupe sont également représentés Selon les flèches A, sont visibles en coupe la couronne périphérique 69 et la demi-couronne intérieure 71 du demi-pot supérieur Le secteur circulaire 54 (un demi-disque) est représenté à la position de repos dans laquelle il est en face de surfaoes égales des deux demi-couronnes 71 et 72 Le secteur 54 est partiellement caché par la demi-couronne 71 et il20 cache la moitié de la demi-couronne 72 Dans la vue de la figure 4 B, les demi-couronnes 71 et 72 forment une couronne complète sans discontinuités. Les enroulements primaires 56 et 58 sont branchés en opposition de phase et créent des champs en sens opposé dans le cylindre 52 Comme le représente la figure 4 B, chacun des enrou- lements secondaires est enroulé autour de l'une des demi-couron- nes 71 et 72 Ces deux enroulements secondaires sont reliés en série aux bornes Bl et B 2 de la même manière que dans la figure 3 B. Ainsi, le champ magnétique produit par l'enroulement primaire 56 tend à passer, par exemple, conme cela est représen- té par des lignes de champ 75 à la figure 4 A, par le cylindre 52 et le secteur tournant 54 qui sont constitués d'un matériau ma- gnétique vers la pièoe polaire constituée par la demi-couronne35 en matériau magnétique 71, puis, d'une part, vers l'extrémité supérieure du cylindre 52 par le fond 67 du demi-pot 64 et, d'autre part, vers l'autre extrémité du cylindre 52 par les couronnes périphériques 69 et 70 et par le fond 68 de l'autre demi-pot. Le champ magnétique produit par l'enroulement primaire 58 tend à passer, par exemple, par le cylindre 52 et le secteur tournant 54 vers la pièce polaire constituée par la demi-couron- ne 72, puis, d'une part, vers l'extrémité inférieure du cylindre 52 par le fond 68 et, d'autre part, vers l'autre extrémité du cylindre 52 par les couronnes périphériques 69 et 70 et par l'autre fond 67. Le fonctionnement du capteur selon la présente inven- tion est identique à èlui expliqué en relation avec les figures 3 A à 3 C L'expérience montre que le capteur de déplacement selon la présente invention est très linéaire sur une amplitude angu- laire supérieure à 60 par rapport à la position d'équilibre. Un avantage de ètte configuration est que les volumes des entrefers restent constants quelle que soit la position du secteur 54, et donc que l'inductance des enroulements primaires est constante En effet, les entrefers entre les extrémités du cylindre 52 et les fonds des demi-pots sont constants et la surfaoe en regard du secteur 54 avec l'une ou l'autre des demi- couronnes 71 et 72 reste constante quelle que soit la position du secteur 54 En outre, ètte configuration est peu sensible aux variations d'entrefer dues à des défauts de parallélisme du secteur 54 car, une variation d'entrefer entre le secteur 54 et l'une des demi- couronnes se traduit par la même variation au niveau de l'autre demi-couronne. Un autre avantage de cette configuration est que, cao- me le capteur décrit en relation avec les figures 3 A à 3 C, le capteur selon l'invention est peu sensible aux champs magnéti- ques extérieurs arrivant par l'axe de rotation En effet, le capteur fonctionne avec un champ différentiel créé par les deux enroulements primaires et indépendant de la valeur absolue du champ dans l'axe. La figure 5 illustre en vue agrandie un mode de réalisation des demicouronnes 71 et 72 permettant de diminuer davantage les effets dûs aux variations d'entrefer La demi-couronne 72 comprend une rainure 80 parallèle au secteur 54 5 dans laquelle vient se déplacer la circonférence du secteur, qui peut comprendre un épaississement 82 L'épaississement 82 est suffisamment loin du fond de la rainure 80 et suffisamment proche des parois de la rainure pour que le champ passe, comme cela est représenté par des flèches 85, de chacune des parois de10 la rainure 80 vers l'épaississement 82 Ainsi, si le secteur 54 comporte des défauts de parallélisme, l'épaississement 82 se rapproche de l'une des parois de la rainure en s'éloignant de l'autre paroi et, en conséquence, l'entrefer reste sensiblement constant La demi-couronne 71, non représentée, comporte la même15 rainure. La configuration selon la présente invention permet d'obtenir un capteur angulaire particulièrement compact On a réalisé en pratique un capteur dont le diamètre externe est de 18 mm pour une distance entre fonds des demi-pots de 8,8 mm. Diverses variantes pourront être apportées à la pré- sente invention par l'homme de l'art Par exemple, pour symé- triser le dispositif et éviter tout balourd, le secteur tournant en matériau magnétique pourra constituer une partie d'un disque circulaire, l'autre partie de ce disque étant en un matériau non magnétique De plus, de préférence, les parois internes de chacun des demi-pots seront revêtues d'un isolant ou bien une coquille isolante y sera insérée pour éviter tout risque de courtcircuit. il REVENDICATIONS 1 Capteur angulaire à transformateur différentiel pour déterminer la position angulaire d'un axe ( 21, 52) par rapport à une position d'équilibre comprenant autour dudit axe un bobinage primaire ( 56) dans un premier plan perpendiculaire à l'axe, caractérisé en ce qu'il comprend: un autre bobinage primaire ( 58) dans un deuxième plan perpendiculaire à l'axe; deux bobinages secondaires ( 60, 62) tournés à 180 l'un par rapport à l'autre autour de l'axe et disposés respec- tivement dans le premier et le deuxième plans; et dans un troisième plan parallèle aux deux premiers et compris entre ceux-ci, un secteur de disque ( 54) en un maté- riau ferromagnétique, ce secteur occultant symétriquement les deux bobinages secondaires à la position d'équilibre. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobinages primaires et secondaires sont des bobines pla- tes. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites bobines plates sont réalisées sous forme de circuit imprimé. 4 Capteur angulaire selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chacun des bobinages secondaires ( 60, 62) est enroulé autour d'une demi-couronne ( 71, 72) en un matériau ma- gnétique oentrée sur ledit axe. 5 Capteur angulaire selon la revendication 4, carac- térisé en ce que les bobinages primaires ( 56, 58) sont enroulés autour d'une partie de l'axe ( 52) en un matériau magnétique. 6 Capteur angulaire selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chacun des bobinages primaires ( 56, 58) est disposé avec l'un des bobinages secondaires ( 60, 62) dans un demi-pot ( 64, 65) en un matériau magnétique, chaque demi-pot comprenant un fond ( 67, 68) en forme de disque muni d'une cou- ronne périphérique en saillie ( 69, 70), la couronne périphérique de chaque demi-pot étant dimensionnée pour en position montée, 5 venir s'appuyer sur la couronne de l'autre demi-pot. 7 Capteur angulaire selon la revendication 6, carac- térisé en ce que chacun des bobinages secondaires ( 60, 62) est disposé autour d'une demi-couronne intérieure en saillie ( 71, 72). 8 Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est encastré dans une embase ( 22) munie de paliers pour l'axe et fermée par un capot ( 51) monté sur l'embase pour protéger le capteur en laissant un espace pour contenir des circuits électroniques de commande et de détection.