Brevet FR2712982A1 — publié le 19950602

Dispositif de mesure différentielle de couple L'invention concerne un dispositif magnétomécanique permettant la mesure du couple transmis par un arbre de rotation ou un élément mécanique analogue. Ce dispositif trouve son application partout où l'on juge nécessaire de mesurer le couple de torsion s'appliquant sur un arbre. n trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des engins de transport motorisés, plus particulièrement dans le domaine automobile, par exemple appliqué à la colonne de direction d'un véhicule muni d'une direction assistée. On peut encore citer tous les arbres moteurs et les arbres industriels en général. Le couple est une grandeur intéressante à bien des égards. En effet, cette grandeur permet de connaître les sollicitations mécaniques auxquelles sont soumis l'arbre de transmission ainsi que les systèmes en amont et en aval de l'arbre. De plus, sa connaissance permet de déduire l'accélération du système et même la puissance transmise par l'arbre. Dans ce dernier cas, il faut bien sûr connaître la vitesse de rotation de l'arbre, mais c'est une grandeur aisée à mesurer. Il existe déjà un certain nombre de dispositifs permettant d'accéder à l'information de couple. Le principe général découle des lois de la physique. Le couple appliqué à un arbre provoque une déformation angulaire, une torsion de cet arbre, et la torsion est proportionnelle au couple. Pour un segment de l'arbre compris entre des sections A et B, l'angle de la torsion résultante entre A et B est proportionnel à la distance entre A et B et au couple transmis et, de plus, dépend de la section de l'arbre ainsi que de son matériau constitutif. Certains capteurs de couple utilisent deux capteurs de position angulaire placés respectivement en A et B. La différence des angles mesurés donne l'angle de torsion. Cet angle est toujours petit, donc les capteurs de position doivent avoir une très grande précision. Quelle que soit leur technologie, de tels capteurs de couple sont nécessairement coûteux et assez fragiles. Certains couplemètres fonctionnant sur ce principe ont accès à la différence de position angulaire en mesurant le déphasage entre deux trains d'ondes, élaborés par un moyen en A et un autre en B. Ces moyens peuvent être par exemple deux disques rotoriques dentés avec en regard deux couronnes statoriques dentées portant un bobinage (brevet FR-A-1 542 815). L'électronique de traitement associée est alors assez complexe et la qualité du résultat dépend de la vitesse et diminue avec elle, rendant même impossible la mesure à l'arrêt. Cela est le cas pour tous les systèmes délivrant une information modulée par la vitesse de rotation. Le couplemètre proposé dans le brevet FR-2 631 702 avec deux rotors dentés à chaque bout d'arbre et placés en regard d'un stator muni d'enroulements d'électro-aimants, et avec un circuit magnétique excité par des aimants pour former une machine homopolaire, permet, par la mesure de l'intensité du courant dans des circuits formés par les enroulements du stator, d'accéder à une information sur le couple qui est alors peu sensible à la vitesse. Toutefois, la complexité de la mise en oeuvre des bobinages statoriques et de l'électronique associée rend de telles solutions peu attrayantes. Le dispositif décrit dans la demande de brevet DE-A-40 38 808, qui comporte un système de deux roues dentées en vis-à-vis à chaque extrémité de la partie torsible, utilise comme détecteur deux bobines connectées en pont. Ces deux bobines sont alimentées par une tension alternative et la tension du point milieu est modulée en amplitude par la position relative des dents, donc par le couple. Le calcul du couple lui-même se fait donc par l'intermédiaire d'une opération de démodulation synchrone, qui est un traitement électronique complexe. D'autres capteurs utilisent des jauges de déformation fixées directement sur l'arbre. De telles solutions nécessitent des dispositifs permettant d'alimenter des éléments sensibles rotoriques et également d'extraire l'information des parties mobiles vers les parties fixes. Ces dispositifs présentent généralement des pièces d'usure, ce qui n'est souhaitable ni pour la durée de vie, ni pour la fiabilité. Les inventeurs ont déjà décrit un dispositif dans le document "Variable magnetic circuit torque sensor" Journal of Applied Physics 70 (10), 15 novembre 1991 pages 6630 à 6632. Ce dispositif comporte deux couronnes dentées se déplaçant l'une par rapport à l'autre sous l'action d'un couple et modifiant ainsi un circuit magnétique. La source de champ est un aimant dont l'aimantation varie avec le couple. L'information se déduit d'une mesure d'induction dans un entrefer plan à l'aide d'un système galvanomagnétique (sonde à effet Hall par exemple). La sonde voit une induction B qui varie autour d'une valeur moyenne B lorsque la réluctance R du circuit magnétique varie. Etant donnée la plage de variations possibles de la réluctance, les variations relatives d'induction qui en découlent ne dépassent guère 10% ( I B = 10%.) On est donc confronté au problème de détecter des variations assez faibles autour d'une valeur moyenne non nulle (typiquement: si B = 10 mT alors par exemple 9,5 mT A cela s'ajoute un autre problème, qui est celui des dérives thermiques. L'aimant est en effet sensible à la température et son aimantation peut varier. Si, par exemple, celle-ci varie de telle façon que la valeur moyenne de l'induction varie de 1% - donc passe de 10 mT à 10,1 mT - cette variation représente en fait une variation du signal de 10% par rapport à l'étendue de la plage de mesure (0,1 mT Il mT). Cela est donc néfaste à l'élaboration d'une information correcte. La présente invention a donc pour objectif de perfectionner ce dispositif à circuit magnétique de manière à remédier aux inconvénients qui y sont liés. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel dispositif perfectionné délivrant un signal continu dont la valeur soit l'image du couple et, de préférence, soit directement proportionnelle au couple. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel dispositif qui soit indépendant de la vitesse de rotation de l'arbre. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel dispositif qui soit particulièrement fiable, précis et compact, tout en étant peu onéreux et facile à fabriquer. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif pour la mesure du couple de torsion s'exerçant sur un arbre ou un élément mécanique analogue, muni d'un circuit magnétique, essentiellement cylindrique et disposé autour de l'arbre, qui comprend un aimant permanent et, au rotor, un entrefer variable ayant deux parties relatives en regard rendues chacune solidaires de l'arbre en des emplacements décalés l'un de l'autre dans la direction longitudinale de l'arbre, de telle manière qu'une torsion de l'arbre entraîne une modification de l'entrefer qui diffère selon le sens du couple exercé, et des moyens de mesure de la modification ainsi produite, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits magnétiques munis chacun d'au moins un aimant permanent et d'un entrefer variable et disposés en des emplacements décalés sur l'arbre dans la direction longitudinale de celui-ci. De préférence, les parties déterminant les entrefers sont agencées de manière que les deux entrefers soient modifiés différemment lorsqu'un couple s'exerce sur l'arbre, l'application d'un couple d'un premier sens entraînant une augmentation de la réluctance d'un entrefer et une diminution pour l'autre, et inversement pour un couple de sens contraire, ce qui permet d'effectuer une mesure différentielle. De manière préférée, les entrefers sont conçus pour que, en l'absence de couple s'exerçant sur l'arbre, le moyen de mesure lit une valeur de référence zéro (correspondant à des flux égaux dans les deux circuits) de part et d'autre de laquelle s'inscrivent les valeurs croissantes de couple correspondant aux couples s'exerçant dans un sens, respectivement dans l'autre sens. Cette structure est telle que l'induction vue par le moyen de mesure varie autour d'une valeur de référence nulle, tout en restant toujours indépendante de la vitesse de rotation. Cela est très avantageux dans ce sens notamment que cela facilite le traitement électronique et permet d'avoir des variations relatives d'induction beaucoup plus grandes et donc d'augmenter la largeur de la plage de mesure. De plus, et cela est très avantageux, une telle structure permet de s'affranchir au premier ordre des effets des dérives, en particulier des dérives thermiques. Les aimants sont en effet sensibles à la température et leur aimantation peut varier. Dans l'invention, les champs magnétiques étant de sens contraires à l'endroit où se fait la mesure, les variations d'aimantation qui peuvent intervenir se retranchent. Si une autre valeur de couple présente un intérêt particulier, il est possible de modifier l'entrefer en décalant les parties respectives de telle manière que ces parties soient symétriques pour cette valeur particulière de couple qui correspond alors à une valeur zéro de l'information. Le stator des deux circuits magnétiques peut être avantageusement formé d'un seul tenant avec une culasse centrale commune à laquelle est associé le moyen de mesure. De préférence, les parties déterminant un entrefer s'étendent suivant une forme de couronne concentriquement à l'axe de l'arbre. Les parties d'un même entrefer peuvent notamment s'inscrire dans des plans orthogonaux à l'arbre qui sont différents, c'est-à-dire décalés et parallèles entre eux, ou toutes les deux dans un même plan orthogonal à l'arbre, donc radialement sur des cercles concentriques de rayons différents. Suivant le mode de réalisation préféré de l'invention, les entrefers sont formés chacun d'un jeu de dentures s'étendant suivant une forme de couronne à faible distance de l'arbre. Les dentures peuvent avoir toute forme géométrique appropriée, en particulier carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou délimitée par des arcs de cercle. Les aimants permanents peuvent être placés au rotor comme au stator, en fonction par exemple des choix ou des contraintes techniques. Ils peuvent être des aimants cylindriques d'un seul tenant ou être constitués chacun d'une pluralité d'aimants individuels de mêmes longueurs et d'aimantations parallèles au sein de chaque groupe. On peut avantageusement associer à ces aimants des moyens de réglage permettant d'équilibrer le dispositif en l'absence de couple de manière à rendre nul le flux dans la culasse centrale. Les parties déterminant les entrefers, notamment les dentures, peuvent être fixées à l'arbre par l'intermédiaire de culasses rotoriques, éventuellement séparées de l'arbre par des entretoises amagnétiques, des culasses statoriques étant disposées face aux culasses rotoriques. Si besoin est, on peut prévoir de pratiquer des évidements dans les régions de l'arbre qui sont en regard des culasses rotoriques et sont délimitées par les entretoises amagnétiques. Les aimants peuvent être portés au stator par trois culasses statoriques, deux d'extrémité et une centrale, qui sont associées à trois culasses rotoriques, deux d'extrémité et une centrale. En variante, le dispositif peut comprendre une culasse statorique unique placée en regard des culasses rotoriques, notamment au nombre de cinq, qui portent alors les aimants. Les largeurs respectives des culasses en vis-à-vis peuvent être choisies différentes pour limiter l'influence, sur la mesure, des jeux axiaux entre rotor et stator. Le moyen de mesure peut être avantageusement un moyen galvanométrique choisi parmi le groupe constitué par les sondes à effet Hall, les magnétorésistances et les moyens analogues. L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide de modes de réalisation se référant au dessin dans lequel: - la figure 1 présente une vue en coupe partielle suivant la direction longitudinale de l'arbre, d'un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de deux jeux de dentures du dispositif de la figure 1, au repos; - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2, mais en présence d'un couple s'exerçant sur l'arbre; - les figures 4 et 5 présentent deux autres modes de réalisation de l'invention, dans une représentation analogue à celle de la figure 1; - la figure 6 représente schématiquement les profils de dentures selon quatre variantes A, B, C at D. - la figure 7 représente en perspective un mode de réalisation particulier d'un rotor réalisé en deux parties symétriques et - la figure 8 représente en perspective le stator, également en deux parties, associé au rotor de la figure 7. A la figure 1, il est représenté une section d'un arbre de torsion 1 sur lequel est monté un dispositif conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Pour des raisons de clarté, on a fait figurer sur l'arbre des évidements de manière à bien faire comprendre les phénomènes de torsion en différents points de l'arbre. Ils ne sont pas indispensables, mais, dans certains cas, on peut souhaiter accroître l'aptitude à la torsion et des évidements de ce type peuvent alors être prévus. Ce dispositif comprend, au rotor, trois éléments 2, 3 et 4 de circuit magnétique (ci-après culasses rotoriques) fixés sur l'arbre 1 suivant une disposition cylindrique autour de celui-ci, par l'intermédiaire d'entretoises amagnétiques 7, 8 et 9, formant le circuit magnétique au rotor désigné par le repère R. Les culasses rotoriques 2 et 3, respectivement 3 et 4 sont séparées par un jeu de dentures 5, respectivement 6, qui seront décrits en détail plus loin en liaison avec les figures 2 et 3. Le stator du dispositif comporte un circuit magnétique cylindrique S (pour circuit magnétique au stator), possédant deux aimants permanents 10 et 11 et trois culasses statoriques 12, 13 et 14. Les éléments constitutifs 4, 14, 11, 13, 3, 6, respectivement 2, 5, 3, 13, 10, 12, déterminent un premier circuit magnétique C1 et un deuxième circuit magnétique C2 de sens opposés. On remarque que les éléments constitutifs 3 et 13 leur sont commun. Un moyen magnéto sensible 15 (par exemple sonde de Hall ou magnétorésistance) est fixé sur la culasse centrale commune 13 (culasse statorique). La figure 2 représente schématiquement les deux entrefers délimités par les jeux de dentures 5 et 6, en montrant une série de dents 5a, 5b pour le circuit C2 et 6a, 6b pour le circuit C1, leur forme géométrique et leurs dispositions respectives dans l'espace. Les dents sont ici carrées mais peuvent être de toute forme appropriée. Au repos, c'est-à-dire en l'absence de couple, les dents 5a et 6a sont décalées angulairement d'une manière identique par rapport aux dents alignées 5b et 6b portées par la culasse rotorique centrale 3. Dans cette position, les entrefers sont rigoureusement identiques (symétriques); les champs créés par les aimants 10 et 11 ont des sens opposés dans la culasse centrale commune 13 et leurs flux s'annulent. Le moyen de mesure 15 détecte donc une valeur nulle. Il peut être judicieux d'associer, aux aimants, des moyens de réglage (non représentés), par exemple des shunts magnétiques, permettant d'équilibrer le dispositif pour obtenir, avant une mesure, une valeur rigoureusement nulle de flux. Ces moyens servent donc à rendre égaux les flux générés dans C1 et C2 en l'absence de couple. Comme cela est montré par une flèche dans la culasse centrale commune 13, on a choisi arbitrairement un sens positif de flux qui correspond au sens du champ créé par l'aimant 10 dans C2 s'il est considéré tout seul. A la figure 3, un couple de torsion est exercé sur l'arbre 1 dans le sens indiqué par la flèche T1. Le décalage angulaire des dents 5a et 6a par rapport aux dents 5b et 6b (qui est initialement identique) est modifié et cela de manière différente, c'est-à-dire d'une manière plus poussée pour les dents les plus proches du point d'application du couple, en l'occurence les dents 6a par rapport aux dents 6b. Cela se traduit ici par une ouverture plus grande de l'entrefer de C1 par rapport à celui de C2. La réluctance de C1 s'accroît alors que celle de C2 diminue et le flux résultant dans la culasse centrale commune 13 passe dans le sens positif. Le moyen de mesure 15 détecte ce sens positif ainsi que la valeur résultante du flux qui est une fonction du couple. Si le couple est exercé en sens contraire, on comprend immédiatement que l'entrefer de C1 se ferme alors que celui de C2 s'ouvre, ce qui se traduit par une diminution de la réluctance de C1 et une augmentation de celle de C2. Le flux résultant sera alors de sens négatif. Les dimensions des dentures sont choisies de manière que les variations des réluctances génèrent dans la culasse centrale commune 13 un flux proportionnel à l'angle de torsion, donc au couple. Comme moyen de mesure, on utilise de préférence une sonde de Hall linéaire grâce à laquelle on obtient un signal électrique proportionnel au couple exercé. La figure 4 présente une variante de réalisation qui diffère du mode de réalisation précédent par le fait que les circuits sont simplifiés par la suppression des parties de culasse repérées 2', 3' et 4' à la figure 1. La figure 5 présente une autre variante dans laquelle les aimants 10 et 11 sont placés au rotor, le stator est constitué par une culasse unique 16 présentant la partie centrale de culasse 17, qui correspond à la culasse commune 13 de la figure 1, et les dentures de chaque circuit sont dites radiales, c'est-à-dire disposées concentriquement sur des plans coupant transversalement l'arbre. La partie au rotor comprend trois parties, deux d'extrémité comportant chacune deux culasses 18, 19 et 21, 22 entourant un aimant 10 ou 11 et présentant à une extrémité les dentures 5a, respectivement 6b orientées radialement vers l'extérieur, et une partie centrale formant culasse centrale 20 et présentant les dentures 5b et 6b dirigées radialement vers les dentures 5a, respectivement 6a. Le fonctionnement de ce mode de réalisation peut immédiatement être déduit de celui décrit pour le mode de réalisation de la figure 1 et n'a donc pas besoin d'être décrit ici plus en détail. La figure 6 présente des variantes de réalisation des dentures selon l'invention, rectangulaires en 6A et 6B, trapézoïdales en 6C et en forme d'arcs de cercles en 6D. La figure 7 montre en perspective un circuit au rotor formé de deux parties symétriques 16 et 17 venant se fixer sur un arbre non représenté. Mis à part la constitution en deux parties, la structure est identique à celle de la figure 1 et les repères numériques restent les mêmes. La partie 17 comprend également les jeux de denture même si ceux-ci ne sont pas visibles à la figure 7. A la figure 8, on voit le circuit au stator formé de deux parties symétriques 18 et 19 qui sont destinées à venir au regard des parties 16 et 17 du circuit au rotor de la figure 7. Mis à part la constitution en deux parties, la structure est identique à celle de la figure 1 et les repères numériques restent les mêmes. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mesure du couple de torsion s'exerçant sur un arbre ou un élément mécanique analogue, muni d'un circuit magnétique, essentiellement cylindrique et disposé autour de l'arbre, qui comprend un aimant permanent et, au rotor, un entrefer variable ayant deux parties relatives en regard rendues chacune solidaires de l'arbre en des emplacements respectifs décalés l'un de l'autre dans la direction longitudinale de l'arbre, de telle manière qu'une torsion de l'arbre entraîne une modification de l'entrefer qui diffère selon le sens du couple exercé, et des moyens de mesure de la modification de l'entrefer ainsi produite, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits magnétiques (C1, C2) munis chacun d'au moins un aimant permanent (10, 11) et d'un entrefer variable et disposés en des emplacements décalés sur l'arbre (1) dans la direction longitudinale de celui-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties (5a, 5b; 6a, 6b) déterminant les entrefers sont agencées de manière que les deux entrefers sont modifiés différemment lorsqu'un couple s'exerce sur l'arbre (1), l'application d'un couple d'un premier sens entraînant une augmentation de la réluctance d'un entrefer et une diminution pour l'autre entrefer, et inversement pour un couple de sens contraire. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les entrefers sont conçus pour que, en l'absence de couple s'exerçant sur l'arbre (1), le moyen de mesure (15) lit une valeur de référence zéro de part et d'autre de laquelle s'inscrivent les valeurs croissantes de couple correspondant aux couples s'exerçant dans un sens, respectivement dans l'autre sens. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, au lieu de faire correspondre une valeur de référence zéro à un couple nul, on lui fait correspondre une valeur de couple non nulle pour laquelle les entrefers sont réglés pour être symétriques. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator (S) des deux circuits magnétiques est formé d'un seul tenant avec une culasse centrale commune (13) et en ce que le moyen de mesure (15) est associé à cette culasse centrale. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les parties (5a, 5b; 6a, 6b) déterminant un entrefer s'étendent suivant une forme de couronne concentriquement à l'axe de l'arbre (1). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites parties (5a, 5b; 6a, 6b) s'inscrivent dans des plans orthogonaux à l'arbre (1) qui sont différents. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites parties (5a, 5b; 6a, 6b) s'inscrivent dans un même plan orthogonal à l'arbre (1). 9. Dispositif selon l'un quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les entrefers sont formés chacun d'un jeu de dentures (5a, 5b; 6a, 6b) s'étendant suivant une forme de couronne à faible distance de l'arbre (1). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les aimants (10, 11) sont placés au stator (S). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les aimants (10, 11) sont placés au rotor (R). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les aimants permanents (10, 11) sont des aimants cylindriques d'un seul tenant ou sont constitués chacun d'une pluralité d'aimants individuels de mêmes longueurs et d'aimantations parallèles. 13. Dispositif selon la revendication 5 et l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que, aux aimants (10, 11), il est associé des moyens de réglage permettent d'équilibrer le dispositif en l'absence de couple de manière à rendre nul le flux dans la culasse centrale (13). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les parties (5a, 5b; 6a, 6b) déterminant les entrefers sont fixées à l'arbre par l'intermédiaire de culasses rotoriques (2, 3, 4), éventuellement séparées de l'arbre (1) par des entretoises amagnétiques (7, 8, 9), des culasses statoriques (12, 13, 14) étant disposées en vis-à-vis des culasses rotoriques. 15. Dispositif selon l'ensemble des revendications 5, 10 et 14, caractérisé en ce que les aimants (10, 11) sont portés au stator (S) par trois culasses statoriques, deux d'extrémité (12, 14) et une centrale (13), qui sont associées à trois culasses rotoriques, deux d'extrémité (2, 4) et une centrale (3). 16. Dispositif selon l'ensemble des revendications 5, 11 et 14, caractérisé en ce qu'il comprend une culasse statorique (16) unique placée en regard de quatre culasses rotoriques (18 à 22) portant les aimants (10, 11). 17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les largeurs respectives des culasses en vis-à-vis sont choisies différentes de manière à limiter l'influence, sur la mesure, des jeux axiaux entre rotor et stator. 18. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dents des dentures ont une forme carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou délimitée par des arcs de cercle. 19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le moyen de mesure (15) est choisi parmi le groupe constitué par les sondes de Hall, les magnétorésistances et les moyens analogues.