Brevet FR2717895A1 — publié le 19950929

Capteur de position angulaire absolue de type inductif à réluctance variable. La présente invention concerne, d'une façon généra- le, le domaine des capteurs de position angulaire absolue de type inductif et, plus spécifiquement, elle concerne des perfectionnements apportés à ceux de ces capteurs qui fonctionnent suivant les deux principes physiques suivants: à variation de réluctance par couplage ferromagné- tique variable: la variation de réluctance est alors produite par le déplacement (insertion ou extraction), dans un entrefer, d'une armature réalisée en matériau ferromagné- tique, cette armature facilitant lors de son insertion le passage du flux magnétique dans cette région; à variation de réluctance par blindage métallique variable: pour une excitation magnétique de forme d'onde alternative (par exemple sinusoïdale), la variation de réluctance est produite, dans les même conditions, par une armature réalisée en un matériau métallique amagnétique de bonne conductivité électrique dans laquelle se développent des courants de Foucault, cette armature s'opposant lors de son insertion au passage du flux magnétique dans cette région (d'ou l'appellation de blindage variable). On connaît déjà de nombreuses réalisations de dispositifs permettant d'assurer la fonction de mesure de la position angulaire absolue; des exemples de tels capteurs sont donnés notamment dans les demandes de brevet FR 2 677 757 et FR 2 684 180 au nom de la déposante. Toutefois, ces capteurs présentent divers inconvénients dûs notamment soit à la complexité de réalisation et/ou de mise au point, soit au coût de production. L'invention a essentiellement pour objet de proposer un capteur d'agencement original qui, tout en répondant aux diverses exigences de la technique en termes de performan- ces, précision, fidélité, fiabilité, puisse permettre, par sa simplicité de réalisation, un coût de production faible, donc adapté à la grande série. Un tel capteur pourrait par exemple trouver application en tant que capteur de position angulaire, en remplacement des potentiomètres utilisés à cet effet qui présentent l'inconvénient majeur d'avoir un contact frottant sujet à l'usure. A ces fins, un capteur de position angulaire absolue de type inductif à variation de réluctance, étant agencé conformément à l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend: - au moins un organe statorique comportant 10. au moins une armature fixe en matériau ferromagnétique doux, avec un noyau central définissant deux faces trans- versales mutuellement en regard conformées pour définir entre elles un entrefer d'épaisseur non constante, et au moins une bobine annulaire entourant ledit noyau - et au moins un organe rotorique comportant au moins une palette s'étendant dans le susdit entrefer et rotative autour d'un axe sensiblement coaxial au noyau, la palette étant constituée en un matériau ferromagnétique doux ou amagnétique bon conducteur électrique. Dans un tel dispositif, la rotation de la palette mobile fait varier la réluctance globale du circuit magnéti- que en fonction de sa position angulaire, et donc fait varier aussi la valeur de l'inductance de la bobine. La valeur de cette inductance est donc représentative de la position angulaire de la palette et de l'arbre dont elle est solidaire. Il est à noter que, dans cette structure de base, le capteur présente une insensibilité au jeu axial, et éventuellement au jeu radial dans certains agencements de la palette, pouvant exister entre la partie rotorique et la partie statorique, ce qui constitue un avantage non négli- geable en utilisation opérationnelle. L'épaisseur non constante de l'entrefer, qui permet d'assurer une partie de la fonction du capteur angulaire, peut être conférée par deux surfaces en regard ayant, l'une et/ou l'autre, toute forme, aussi bien axialement que radialement, appropriée au type de signal souhaité en sortie. Toutefois, pour ce qui concerne tout d'abord la forme en direction axiale, deux formes particulières semblent devoir se révéler particulièrement intéressantes: - au moins l'une des faces définissant l'entrefer est plane et inclinée par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la palette, ce grâce à quoi la hauteur de l'entrefer varie périodiquement sur un tour de rotation; - au moins l'une des faces définissant l'entrefer est constituée sous forme d'un gradin séparant deux surfaces planes sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation de la palette; avantageusement alors, le gradin s'étend de façon à intersecter l'axe de rotation de la palette, notamment de façon sensiblement diamétrale, afin de simplifier les moyens de traitement du signal recueilli. Dans un mode de réalisation préféré en raison de la simplicité de fabrication des pièces composantes, les deux faces définissant l'entrefer ont un contour circulaire en projection plane et la palette est en forme de secteur de cercle ou présente une forme générale approximativement en secteur de cercle. Toujours pour la même raison et pour simplifier le décodage du signal recueilli, il est souhaita- ble que la palette possède des faces principales sensible- ment planes, et de préférence mutuellement parallèles. Dans un mode de réalisation pratique particulière- ment intéressant, l'armature fixe du détecteur statorique est constituée par au moins un pot à noyau central fermé par un couvercle, la face de bout du noyau définissant l'entre- fer avec la face en regard du couvercle et la bobine étant abritée dans le logement annulaire entourant le noyau; ou bien, en variante, l'armature fixe du détecteur statorique est constituée par deux pots à noyau central qui sont accolés l'un contre l'autre, au moins une face de bout d'un noyaux étant en retrait pour définir l'entrefer et la bobine étant abritée dans le logement annulaire entourant les noyaux. Le ou les pots en ferrite constituant le circuit magnétique fixe peuvent être de forme ronde qui est la forme la plus commune, mais cela n'est pas obligatoire: il existe des pots dits de forme carré ou en croix. En fait, la forme extérieure du pot n'a pas d'importance primordiale, la seule fonction du bord extérieur étant d'assurer la fermeture du flux magnétique et son retour vers les noyaux centraux et vers l'entrefer entre ces noyaux, là o se trouve l'armature mobile procurant la variation de réluctance. Du point de vue structurel, toutes les pièces, en particulier le ou les pots et la bobine (hormis la palette mobile), s'apparentent à celles utilisées dans la réalisa- tion des bobines d'induction bobinées en pot employées en électronique et qui sont donc des composants traditionnels, bien connus et couramment disponibles, adaptés à la grande série et de coût relativement bas. En particulier la configuration particulière (gradin, inclinaison) de la face de bout d'au moins un des noyaux ferromagnétiques peut, sans surcoût excessif, être obtenue par une reprise de la face d'un noyau d'un pot préexistant ou bien directement à la fabrication du pot. L'information de position angulaire peut être obtenue par exemple en exploitant, grâce à la mise en oeuvre d'une électronique associée dont la réalisation n'entre pas dans le cadre de la présente invention, la variation de la constante de temps d'un circuit inductif dans lequel est intégrée la bobine du capteur; le comptage du temps de charge ou de décharge de ce circuit inductif jusqu'à un seuil prédéfini permet de connaître la valeur de l'inductan- ce, donc la position angulaire. Ce principe permet en outre la numérisation du traitement, les compensations éventuelles en fonction de l'environnement et l'exploitation en temps réel par un calculateur gérant le système contenant ce capteur. Ce mode d'utilisation n'est pas limitatif et tout autre principe exploitant la variation d'inductance peut être envisagé. Conformément à une variante de réalisation mention- née plus haut, il est possible de remplacer le circuit magnétique mobile réalisé en matériau ferromagnétique doux par une armature mobile réalisée en matériau amagnétique ayant une bonne conductivité électrique; typiquement il s'agit d'une palette métallique en cuivre ou laiton ou aluminium, ou tout autre matériau équivalent. Dans ce cas, on utilise la propriété de variation de réluctance par insertion dans le circuit magnétique d'un blingage métalli- que variable. Cette variante trouve une application dans les cas o l'excitation magnétique est à suffisamment haute fréquence pour que les courants de Foucault se développant dans la palette métallique jouent leur rôle de blindage. Cette configuration peut présenter l'avantage de la simpli- cité de réalisation de l'organe mobile et d'un coût de revient plus réduit. Dans certaines configurations d'utilisation, on peut trouver avantage à utiliser une structure différentielle électrique permettant une exploitation différente et plus simple des signaux électriques issus du capteur. Ceci peut dépendre de l'environnement électronique utilisé pour exploiter ce type de capteur. Une variante de l'agencement du capteur décrit ci-dessus permet ce type d'utilisation: à cette fin, l'armature fixe du détecteur statorique est constituée par deux pots à noyau central accolés de part et d'autre d'une rondelle ferromagnétique et définissant avec celle-ci deux entrefers de conformation diamétralement opposées, deux bobines étant logées à l'intérieur des pots respectifs et deux palettes, solidaires l'une de l'autre en rotation et en coïncidence angulaire, étant disposées respectivement dans les deux entrefers. Ainsi, les deux capteurs tels que décrits sont associés coaxialement, les circuits magnétiques fixes, d'une part, et les circuits magnétiques mobiles, d'autre part, étant solidarisés entre eux et de telle manière que les variations d'inductance respectives des cellules respectives se fassent dans une relation de phase prédéterminée (par exemple en phase ou en opposition de phase); on dispose ainsi de deux circuits électriques que l'on peut connecter entre eux, soit dans un assemblage électrique de type potentiométrique, les deux bobinages étant alors mis en série et créant un point milieu, soit dans un assemblage électrique de type pont de mesure. Dans le cas d'un assemblage de type potentiométri- que, un avantage appréciable apparaît, pour ce qui est de l'alimentation d'un tel système, quand une électronique spécifique de traitement n'est pas disponible: une simple alimentation alternative standard est alors suffisante. En effet, l'association des deux inductances en série, dont l'une varie en sens inverse de l'autre, fait que l'impédance globale vue par l'alimentation reste constante; le capteur est ainsi alimenté à courant constant. Dans ces conditions, le flux magnétique alternatif de chaque cellule varie proportionnellement à la valeur de son inductance, la somme des flux restant constante. Le signal alternatif apparais- sant sur le point milieu varie donc en fonction de la position angulaire de l'armature mobile. Préférentiellement, cette variation est linéaire dans le cas o l'extrémité de l'un des noyaux présente un décrochement en forme de marche ou de gradin, ou bien sinusoïdale dans le cas o cette extrémité est en plan incliné. L'utilisation d'un tel capteur est donc aussi très simple, même dans le contexte d'une alimentation simplifiée. Un capteur agencé conformément à l'invention, soit dans sa conception de base, soit dans sa conception à fonctionnement différentiel, permet d'obtenir un signal dont la période correspond à un tour, voire, dans un agencement particulier, à un sous-multiple de tour de rotation du rotor. Pour les deux formes préférentielles mentionnées de variation de l'entrefer (plan incliné ou décrochement en forme de marche), la forme d'onde du signal alternatif obtenu sur un tour est respectivement pseudosinusoïdale ou bien quasi-triangulaire à pentes symétriques. Pour ce dernier cas, le signal représentant la position angulaire est théoriquement linéaire sur un déplacement de 180 degrés du rotor; en pratique et à cause des arrondis aux sommets, la zône utilement exploitable sur chaque pente est de l'ordre de 140 degrés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples purement illustratifs, mais nullement limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue, en coupe diamétrale selon la figure I-I de la figure 2, d'un premier mode de réalisa- tion d'un capteur de position angulaire absolue agencé conformément à l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, montrant un exemple de réalisation de la forme de l'armature mobile; - la figure 3 est une vue en coupe diamétrale d'un autre mode de réalisation d'un capteur conforme à l'inven- tion; - la figure 4 est une vue en coupe diamétrale d'encore un autre mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention; et - la figure 5 représente une vue en coupe diamétrale d'une autre variante de réalisation d'un capteur à deux cellules réunies dans un agencement différentiel. Sur les figures, les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner les mêmes parties ou organes, accompagnées éventuellement d'un ' ou " pour différencier des variantes dans divers modes de réalisation. Un capteur de position angulaire absolue à réluc- tance variable, désigné dans son ensemble par la référence numérique 1, comprend: - au moins un organe statorique A comportant au moins un circuit ou armature magnétique fixe 2 en matériau ferromagnétique doux présentant deux faces 9 et mutuellement en regard conformées pour définir un entrefer 11 d'épaisseur non constante, et au moins une bobine annulaire 4 entourant ladite armature 2 munie de l'entrefer 11 - et au moins un organe rotorique B comportant au moins une palette 3 s'étendant dans le susdit entrefer 11 et rotative autour d'un axe X coaxial aux susdites faces 9 et définissant l'entrefer 11, la palette 3 étant consti- tuée en un matériau ferromagnétique doux ou amagnétique bon conducteur électrique. Comme représenté pour les différents modes de réalisation illustrés sur les figures, l'armature fixe 2 peut avantageusement être constituée par un pot ou l'assem- blage de deux demi-pots en ferrite d'un type quasi analogue à ceux couramment disponibles dans le commerce pour la réalisation d'inductances dans l'industrie électronique. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, le circuit magnétique fixe 2 est composé de deux demi-pots 5 et 6, solidarisés entre eux, par exemple par des moyens mécaniques non montrés, réalisés en matériau ferromagnétique doux (par exemple de préférence soit en un matériau du type ferrite douce, manganèse-zinc ou nickel-zinc, soit en poudre de fer comprimée), ce matériau devant procurer une bonne perméabilité magnétique associée à un faible coût de production. L'armature 2 est donc constitué de deux demi- pots ronds 5 et 6 se présentant chacun sous la forme générale d'une cuvette annulaire à bord extérieur tubulaire cylindrique et à fond plat, au centre de laquelle se dresse coaxialement un noyau central cylindrique 7 et 8 respective- ment, évidé centralement; la surface d'extrémité libre 9, 10 de chaque noyau 7 et 8 est située sensiblement en dessous du bord supérieur périphérique extérieur de chaque demi-pot. Les deux demi-pots 5 et 6 sont assemblés et solidarisés face à face en appui mutuel par leurs bords extérieurs respec- tifs. Les extrémités 9 et 10 des noyaux centraux 7 et 8, étant sensiblement en retrait, définissent entre eux un entrefer central 11 dont la forme particulière permet À* 2717895 d'assurer une partie de la fonction du capteur angulaire objet de l'invention. La forme particulière donnée à l'entrefer consiste, comme mentionné plus haut, en ce que l'entrefer 11 possède une épaisseur non constante, autrement dit en ce que les deux faces 9 et 10 des noyaux 7 et 8 qui définissent ledit entrefer ne sont pas simultanément planes et mutuellement parallèles. Dans le mode de réalisation plus particulièrement représenté aux figures 1 et 2, la face 10 du noyau 8 est plane et sensiblement perpendiculaire à l'axe X, tandis que la face 9 du noyau 7 présente une forme en marche ou en gradin, avec un décrochement 13, qui s'étend de préférence sensiblement diamétralement pour simplifier la forme du signal de sortie et le décodage de celui- ci; ce gradin sépare deux zones semi-circulaires de la face 9, respective- ment 91 et 92, qui sont individuellement planes et sensible- ment perpendiculaires à l'axe X. I1 en résulte que l'entre- fer 11 présente deux zones de forme semi-discoidales de révolution d'épaisseur différentes El et E2. La bobine 4 insérée entre les demi-pots 5 et 6 a pour fonction de fournir la force magnétomotrice nécessaire à l'excitation magnétique du circuit et, d'autre part, de récupérer l'information de position angulaire associée à la variation de son inductance lors de la rotation de la palette 3 dans l'entrefer 11. Cette bobine est réalisée avec un nombre prédéterminé de spires et se place dans le logement annulaire défini par les cuvettes des deux demi- pots, concentriquement aux noyaux centraux 7 et 8. En variante, la bobine unique peut être remplacée par deux bobines. Dans ce cas, les deux fonctions mention- nées ci-dessus peuvent être réparties entre les deux bobines, l'une fournissant la force magnétomotrice, l'autre, par couplage magnétique avec la première bobine, fournissant l'information de variation de l'inductance. Cette configura- tion peut être avantageuse par exemple dans le cas d'un capteur à structure différentielle électrique dont un exemple est donné plus loin. L'armature mobile 3 se présente sous la forme d'une palette plate, à faces principales sensiblement parallèles dont la forme générale est celle d'un secteur de disque d'axe coaxial aux noyaux 7 et 8 et de diamètre sensiblement identique ou légèrement supérieur à celui des noyaux, et qui est entraînée en rotation par un moyen annexe (non représen- té) accessible de l'extérieur, par exemple un arbre tournant passant par le trou central d'un des noyaux. L'armature 3 est en matériau ferromagnétique doux, préférentiellement, comme pour le circuit magnétique fixe 2, soit en ferrite, soit en poudre de fer; une variante destinée aux utilisa- tions à relativement haute fréquence consiste en un matériau amagnétique de bonne conductivité électrique et, dans ce dernier cas, l'armature 3 joue le rôle de blindage variable faisant varier la réluctance de l'ensemble du circuit magnétique. L'agencement qui vient d'être décrit en relation avec les figures 1 et 2 permet d'obtenir un signal électri- que de sortie, aux bornes de la bobine 4, qui croit et décroit linéairement de façon alternative pour chaque tour de rotation de la palette 3, ce signal traduisant la variation de l'inductance dans la bobine 4. Ainsi, à chaque position angulaire de la palette 3, et donc de l'arbre tournant dont elle est solidaire, est associée une valeur de l'inductance: la détection de cette valeur, par analyse du signal précité, permet de connaître la position angulaire de l'arbre. Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation du capteur conforme à l'invention. Cette variante consiste en ce qu'au moins une des extrémités 9' et/ou 10' des noyaux 7, 8 ne présente plus un décrochement en forme de marche, mais soit constituée sous forme d'une face plane inclinée par rapport au plan perpendiculaire à l'axe X. Cette forme particulière permet d'obtenir une variation sinusoïdale de la valeur de l'inductance de la bobine 4, pour chaque tour de rotation de la palette 3. Bien entendu, les extrémités 9 et 10 des noyaux peuvent être agencées pour présenter toutes formes ou toutes combinaisons de formes appropriées pouvant conduire à des variations fonctionnelles spécifiques de la valeur de l'inductance sur un tour ou sur une fraction de tour de rotation de la palette 3 (par exemple variation trapézoïdale de la valeur de l'inductance). La figure 4 montre encore un autre mode de réalisa- tion dans lequel la constitution du circuit magnétique fixe 2 fait appel non pas à deux pots en ferrite accolés face à face comme dans les modes de réalisation des figures 1 à 3, mais à un pot en ferrite unique 14 de même constitution générale que chacun des pots 5, 6 précédents, mais plus profond de manière à abriter à lui seul la bobine 4, le retour du flux étant assuré par un simple couvercle en ferrite 15. L'entrefer 11 est alors défini entre les faces en regard, distantes l'une de l'autre, du noyau 16 du pot et du couvercle 15. La face de bout 17 du noyau et/ou la face interne 18 du couvercle est alors agencée pour rendre l'entrefer 11 d'épaisseur non constante. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, la face de bout 17 du noyau présente un gradin 13, selon le même agencement qu'à la figure 1, étant entendu que ce gradin pourrait être prévu sur la face interne 18 du couvercle, ou bien encore que la face 17 et/ou la face 18 pourrait être inclinée comme dans le mode de réalisation de la figure 3. La figure 5 représente un mode de réalisation particulier du capteur pour lequel un agencement différen- tiel de deux cellules de base permet d'exploiter les signaux de sortie sous une forme différentielle électrique. La structure mécanique est toutefois améliorée de manière à diminuer le coût par rapport à une simple juxtaposition de deux cellules individuellement constituées conformément à l'un des modes de réalisation précédent. On utilise ici deux pots strictement identiques et solidarisés face à face, en intercalant entre eux une rondelle 12 de même matériau, percée en son centre au même diamètre que les trous réalisés dans les noyaux 7". Deux zônes d'entrefer 11" sont ainsi définies de part et d'autre de la rondelle 12. Les décroche- ments en forme de marche 13" (ou les pans inclinés dans le cas d'utilisation de cette variante) sont diamétralement opposés. Pour chaque cellule, une armature mobile en forme de palette tournante est logée dans chaque entrefer 11", les deux armatures étant disposées en coïncidence angulaire et solidarisées à un organe accessible de l'extérieur, par exemple un arbre tournant, le tout constituant l'organe rotorique mobile en rotation pour lequel on veut mesurer la position angulaire. A noter que les décalages angulaires mentionnés ci- dessus entre les décrochements en forme de marche (ou les pans inclinés) et entre les armatures mobiles sont relatifs, le résultat final recherché devant être que les variations d'inductances soient en opposition de phase. Pour finir, chaque cellule comporte une bobine 4", soit unique comme décrit plus haut, soit double comme dans la variante à deux bobines mentionnée aussi plus haut, cette configuration permettant une utilisation en transformateur différentiel. Le mode de réalisation de la figure 5 constitue un capteur à configuration différentielle électrique (et mécanique comme pour chaque cellule prise séparément) permettant, dans certains cas, une utilisation plus aisée, bien que d'un coût sensiblement supérieur à la cellule de base, mais inférieur au coût de deux cellules individuelles accouplées entre elles. 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 de réalisation qui ont été plus particu- lièrement envisagés, elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Capteur de position angulaire absolue à réluc- tance variable, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins un organe statorique (A) comportant 5. au moins une armature fixe (2) en matériau ferromagnéti- que doux, avec un noyau central définissant deux faces transversales (9, 10; 9', 10'; 17, 18; 9") mutuellement en regard conformées pour définir entre elles un entrefer (11, 11") d'épaisseur non constante, et 10. au moins une bobine annulaire (4, 4") entourant ledit noyau - et au moins un organe rotorique (B) comportant au moins une palette (3) s'étendant dans le susdit entrefer et rotative autour d'un axe (X) sensiblement coaxial au noyau, la palette étant constituée en un matériau ferromagnétique doux ou amagnétique bon conducteur électrique. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une (9') des faces définissant l'entrefer est plane et inclinée par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la palette. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une (9, 9", 17)des faces définissant l'entrefer est constituée sous forme d'un gradin séparant deux surfaces planes sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation de la palette. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gradin s'étend de façon à intersecter l'axe de rotation de la palette, notamment de façon sensiblement diamétrale. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux faces définissant l'entrefer (11, 11") ont un contour circulaire en projection plane et en ce que la palette (3) est en forme de secteur de cercle ou présente une forme générale approximativement en secteur de cercle. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la palette possède des faces principales sensiblement planes. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'armature fixe (A) du détec- teur statorique est constituée par au moins un pot (14) à noyau central (16), fermé par un couvercle (15), la face de bout (17) du noyau définissant l'entrefer (11) avec la face en regard (18) du couvercle et la bobine (4) étant abritée dans le logement annulaire entourant le noyau. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'armature fixe (A) du détec- teur statorique est constituée par deux pots (5, 6) à noyau central (7, 8) qui sont accolés l'un contre l'autre, au moins une face de bout (9, 10) d'un noyau étant en retrait pour définir l'entrefer (11) et la bobine (4) étant abritée dans le logement annulaire entourant les noyaux. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'armature fixe (A) du détec- teur statorique est constituée par deux pots (5") à noyau central (7") accolés de part et d'autre d'une rondelle ferromagnétique (12) et définissant avec celle-ci deux entrefers (11") de conformation diamétralement opposées, deux bobines (4") étant logées à l'intérieur des pots respectifs et deux palettes (3), solidaires l'une de l'autre en rotation et en coïncidence angulaire, étant disposées respectivement dans les deux entrefers (11").