Brevet FR2771864A1 — publié le 19990604

ANNEAU NAGNETIQUE MULTIPOLAIRE La présente invention se rapporte à un anneau magnétique multipolaire, destiné à générer un champ magnétique de forme sinusoïdale dont la période correspond à un ou à plusieurs tours de l'anneau. Une application particulière d'un tel anneau magnétique concerne son association avec des capteurs de type magnétique, notamment les capteurs de position absolue, utilisés par exemple dans des roulements capteurs. Actuellement, les anneaux magnétiques multipolaires sont très souvent utilisés dans des applications de capteurs magnétiques de position, en raison de leur simplicité de mise en oeuvre et de leur faible coût. Le substrat des anneaux magnétiques multipolaires est généralement constitué d'au moins une phase magnétique, en ferrite ou en terres rares, dont les domaines magnétiques sont orientés par magnétisation afin de créer des pôles Nord et Sud. Selon un autre mode de réalisation, ce substrat peut être constitué de deux phases, dont l'une est magnétique, telle que décrite précédemment et l'autre est amagnétique, en élastomère, en polymère ou en matériau thermodurcissable par exemple, destinée à lier entre elles les différentes particules constitutives de la phase magnétique. Ce second mode de réalisation offre un excellent compromis entre les performances magnétiques et le coût de fabrication d'un tel anneau magnétique. L'aimantation d'un anneau magnétique multipolaire pour obtenir une succession de pôles Nord et Sud peut être réalisée soit pôle par pôle avec une tête d'aimantation se déplaçant sur le substrat magnétique à aimanter, soit en créant tous les pôles à la fois grâce à un aimanteur à fil bobiné. Lorsque ces anneaux magnétiques sont associés à des capteurs magnétiques de type sonde à effet Hall, magnétorésistance ou capteur à réluctance variable, ils génèrent des signaux électriques sinusoïdaux, dont l'exploitation délivre des informations sur la vitesse, le sens de rotation et la position relative des systèmes dans lesquels ils sont intégrés. La figure la est un exemple d'anneau magnétique circulaire à huit paires de pôles Nord et Sud, vue de dessus, qui associé à une sonde à effet Hall digitale placée en face de lui, délivre un signal électrique périodique, de forme carrée tel que représenté sur la figure lb. Pour un nombre de paires de pôles Nord et Sud, un type de matériau magnétique et une géométrie d'anneau magnétique diamètres intérieur et extérieur, et épaisseur déterminés, pour une technologie d'aimantation utilisée avec tête d'aimantation ou aimanteur à fil bobiné - et pour une largeur de pôle donnée, le profil du champ magnétique, généré par l'anneau et capté par l'élément sensible d'un capteur magnétique associé, peut être différent. Les figures 2a à 2d dont des exemples de profils de champ magnétique délivrés par de tels anneaux magnétiques, profils respectivement de type sinusoïdal, de type trapézoïdal correspondant à un capteur plus prêt de l'anneau, de type triangulaire correspondant à un capteur plus loin de l'anneau, et de type sinusoïdal tronqué. Seul, le premier profil sinusoïdal permet d'effectuer des interpolations électroniques simples afin d'augmenter artificiellement la résolution des capteurs digitaux de position. En conséquence, ces anneaux magnétiques multipolaires actuels ne servent à donner que des informations de position relative et en aucun cas de position absolue, c'est-à-dire de position du système associé qui soit connue sans la moindre ambiguïté dès sa mise sous tension, sans passer par une étape d'initialisation ou de recherche de la position de référence. En effet, il est impossible d'aimanter une seule paire de pôles Nord-Sud sur un anneau magnétique pour obtenir un profil de champ magnétique sinusoïdal à une période par tour de l'anneau. L'invention vise à résoudre ce problème, en proposant notamment un anneau magnétique bipolaire, dont le profil d'aimantation spécifique génère un champ magnétique de forme sinusoïdale et ne possédant qu'une seule période par tour de l'anneau. Pour cela, l'objet de l'invention est un anneau magnétique bipolaire destiné à générer un champ magnétique sinusoïdal, caractérisé en ce qu'il est cylindrique, de hauteur h et de largeur 1 comprise entre un diamètre intérieur Di et un diamètre extérieur De, avec un diamètre de lecture D1 situé par exemple au milieu de la largeur pour le positionnement d'un ou plusieurs capteurs magnétiques de lecture du champ magnétique émis par ledit anneau, et en ce que son aimantation réalise deux pôles Nord et Sud concentriques imbriqués l'un dans l'autre de telle sorte que leurs largeurs Lp soient égales et constantes et que les deux transitions magnétiques entre chacun des deux pôles suivent chacune une courbe monotone se déplaçant d'une demi-largeur de pôle par quart de tour de l'anneau, ces deux courbes étant décalées de 1800, afin que le champ magnétique ait une période unique correspondant à un tour de l'anneau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de deux modes de réalisation d'un anneau magnétique, illustrée par les figures suivantes qui sont, outre les figures 1a' lb et 2a à 2d déjà décrites figure 3 : une vue de face d'un anneau magnétique selon un premier mode de réalisation; figure 4 : le profil du champ magnétique obtenu avec un anneau magnétique selon l'invention figures 5a et 5b : deux vues de côté et de face d'un anneau magnétique selon un deuxième mode de réalisation. L'anneau magnétique 1 réalisé d'après un premier mode selon l'invention, représenté par une vue de face sur la figure 3, est cylindrique, dont les deux faces parallèles opposées ont une largeur radiale 1 constante, comprise entre un diamètre intérieur Di et un diamètre extérieur De, avec un diamètre Dl dit de lecture situé préférentiellement au milieu de cette largeur. Ce diamètre D1 correspond au diamètre de positionnement du ou des éléments sensibles d'un capteur magnétique destiné à lire le champ magnétique émis par l'anneau. Sur une face de cet anneau magnétique 1 sont aimantés deux pôles, un pôle Nord N et un pôle Sud S, imbriqués l'un dans l'autre suivant deux spirales s1 et s2 démarrant en deux points P1 et P2 diamétralement opposés de la circonférence C de l'anneau, et de longueur égale obtenue par rotation d'au moins un tour autour de l'axe de symétrie 6 de l'anneau, de telle sorte que la largeur Lp de chaque pôle reste constante et identique pour les deux pôles. Sur la figure 3, la longueur des deux spirales est obtenue par rotation d'un tour et quart. L'évolution de la forme des deux pôles, en spirale, est telle qu'au niveau du diamètre de lecture D1, les deux transitions magnétiques en spirale s1 et s2 entre le pôle Nord N et le pôle Sud S se déplacent de façon monotone d'une demi-largeur de pôle Lp, par quart de tour de l'anneau, soit 90 mécaniques. Les équations qui régissent les variations des rayons R1 et R2 des spirales respectives et et s2 en fonction de l'angle mécanique a entre la position de référence 0 correspondant à un axe Ag, et un rayon quelconque R de l'anneau, sont les suivantes ( = Ro - (Lp * a/) R1 = R2 - Lp ( = (D1/2) + (Lp/2) avec R0 = R2 Si a = et a prenant toutes les valeurs réelles comprises entre O et 2r radians. Ainsi, pour la position 0 correspondant à l'axe Ag, le pôle Sud S est centré sur le diamètre de lecture D1 d'une part et est encadré symétriquement par deux parties identiques du pôle Nord N, dont la largeur globale est fonction de la largeur 1 de l'anneau. Pour la position 90 correspondant à l'axe A90, la transition magnétique 52 entre le pôle Sud S et le pôle Nord N coïncide avec le diamètre de lecture D1 et la largeur de chaque pôle est égale à Lp de part et d'autre de la transition 52 En fonction de la largeur 1 de l'anneau, deux parties, identiques en largeur, des pôles Nord et Sud, peuvent encadrer les deux largeurs Lp de ces pôles. Pour la position 1800 correspondant à l'axe A180 le pôle Nord N est centré sur le diamètre de lecture D1 et de plus il est encadré symétriquement par deux parties du pôle Sud S qui sont identiques, c'est-à-dire dont la largeur globale est fonction de la largeur 1 de 1 'anneau. Enfin, pour la position 2700 correspondant à l'axe A270, la transition magnétique 51 entre les pôles Sud S et Nord N coïncide avec le diamètre de lecture D1. Chaque pôle est de largeur égale à Lp de part et d'autre de la transition P1. L'anneau magnétique bipolaire cylindrique ainsi décrit génère un champ magnétique de forme sinusoïdale ne possédant qu'une seule période par tour de rotation de l'anneau autour de son axe de symétrie 6. Le profil de ce champ magnétique est représenté sur la figure 4. Selon un second mode de réalisation d'un anneau magnétique, d'après l'invention, c'est la surface extérieure d'un anneau cylindrique de hauteur h, qui est aimantée pour obtenir un pôle Nord N' et un pôle Sud S', comme le montre la figure 5 qui est une vue de côté de l'anneau selon sa hauteur h, tandis que la figure 5b en est une vue selon une de ses deux faces parallèles. Le diamètre de lecture D'1 est situé au milieu de la hauteur h. Les deux pôles Nord N1 et Sud S' ont la même largeur p constante et fonction de la hauteur h de l'anneau. Sur la figure 5at la largeur L' p est égale à la moitié de la hauteur h. De plus, ils sont imbriqués l'un dans l'autre suivant deux hélices h1 et h2 centrées sur l'axe de symétrie 6' de l'anneau parallèles et séparées par une distance constante égale à L'p, démarrant en deux points P'1 et P'2 diamétralement opposés sur le diamètre de lecture D1, de telle sorte qu'au niveau du diamètre de lecture D'1, le champ magnétique, aux quatre axes orthogonaux entre eux, A'0, A'gg, A'180 et A'270, correspondant aux positions respectives 00, 900, 1800 et 2700, passe respectivement par le maximum du pôle sud S', une transition magnétique h1, le maximum du pôle Nord N' et une transition magnétique h2 entre les deux pôles. La forme des deux pôles, en hélice, évolue de façon monotone d'une demi-largeur de pôle L'p par quart de tour de rotation de l'anneau, soit 900 mécanique. Un anneau magnétique bipolaire selon l'invention a pour avantage de pouvoir être utilisé dans des roulements capteurs pour des applications automobiles, telles que la navigation et le contrôle de trajectoire par l'intermédiaire des roulements de colonne de direction. Une autre utilisation intéressante d'un tel anneau magnétique concerne les applications industrielles ou il est utile de contrôler et de piloter la position absolue d'un dispositif, par exemple un moteur électrique d'entraînement de machine outil ou de robot. REVENDICATIONS 1. Anneau magnétique multipolaire destiné à générer un champ magnétique sinusoïdal, caractérisé en ce qu'il est cylindrique de hauteur (h) et de largeur (1) comprise entre un diamètre intérieur (Di) et un diamètre extérieur (De) avec un diamètre de lecture (D1) situé par exemple au milieu de la largeur pour le positionnement d'un ou plusieurs capteurs magnétiques de lecture du champ magnétique émis par ledit anneau, et en ce que son aimantation réalise deux pôles Nord (N) et Sud (S) concentriques imbriqués l'un dans l'autre de telle sorte que leurs largeurs (Lp) soient égales et constantes et que les deux transitions magnétiques entre chacun des deux pôles suivent chacune une courbe monotone se déplaçant d'une demi-largeur du pôle par quart de tour de l'anneau, ces deux courbes étant décalées de 1800, afin que le champ magnétique ait une période unique correspondant à un tour de 1 'anneau. 2. Anneau magnétique multipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que son aimantation est réalisée sur une de ses deux faces plates parallèles de largeur (1), suivant deux spirales imbriquées (s1 et 52) démarrant en deux points (P1 et P2) diamétralement opposés de la circonférence (C) de l'anneau et de longueur égale obtenue après une rotation d'au moins un tour autour de l'axe de symétrie (6) de l'anneau. 3. Anneau magnétique multipolaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux transitions magnétiques définissant la largeur des deux pôles Nord (N) et Sud (S) sont réalisées sous forme de deux spirales (s1 et s2) concentriques dont chaque rayon (R1 et R2) varie selon les équations suivantes, en fonction de l'angle mécanique (a), exprimées en coordonnées polaires R2 = R0 - (Lp*t/ff) R1 = R2 - Lp Ro = (Dl/2) + (Lp/2) avec R0 = R2 pour a = 0, a compris entre O et 2r radians, D1 égal au diamètre de lecture de l'anneau. 4. Anneau magnétique multipolaire selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les deux pôles magnétiques Nord (N) et Sud (S) sont imbriqués de telle sorte que pour une position de référence 00 correspondant à un axe (A0), le pôle Sud (S) est centré sur le diamètre de lecture (D1) et encadré symétriquement par deux parties identiques du pôle Nord (N) ; pour une position 90 orthogonale à la précédente, correspondant à un axe (A90), la transition magnétique (s2) entre le pôle Sud (S) et le pôle Nord (N) coïncide avec le diamètre de lecture (D1), et chaque pôle est de largeur égale à (Lp) ; pour une position 1800 orthogonale à la précédente, correspondant à un axe (A180) le pôle Nord (N) est centré sur le diamètre de lecture (D1) et encadré symétriquement par deux parties identiques du pôle Sud (S) ; pour une position 270 orthogonale à la précédente, correspondant à un axe (A270) la transition magnétique (52) entre les pôles Sud et Nord coïncide avec le diamètre de lecture (D1) et chaque pôle est de largeur égale à (Lp) ; 5. Anneau magnétique multipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que son aimantation est réalisée sur sa surface extérieure de hauteur h, suivant deux hélices (h1 et h2) imbriquées, concentriques, parallèles et séparées d'une distance (L'p) constante démarrant en deux points (P'1 et P'2) diamétralement opposés du diamètre de lecture (D'1) et évoluant de façon monotone d'une demi-largeur de pôle (L'p) par quart de tour de rotation de l'anneau de longueur égale obtenue après une rotation d'un tour autour de l'axe de symétrie (#') de l'anneau. 6. Anneau magnétique multipolaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux pôles Nord (N') et Sud (S') sont imbriqués de telle sorte que, au niveau du diamètre de lecture (D'1) ; - pour une position de référence 00 correspondant à un axe (A'0), le champ magnétique passe par le maximum du pôle Sud (S') ; - pour une position 90 orthogonale à la précédente correspondant à un axe (A'90), le champ magnétique passe par une transition magnétique (h1) hélicoïdale entre le pôle Nord (N') et le pôle Sud (S') - pour une position 1800 orthogonale à la précédente correspondant à un axe passe par le maximum du pôle Nord (N') - pour une position 2700 orthogonale à la précédente correspondant à un axe (A'270), le champ magnétique passe par la seconde transition magnétique (h2) hélicoïdale entre le pôle Sud (S') et le pôle Nord (N').