Brevet FR2841978A1 — publié le 20040109

Dispositif codeur pour détection de paramètres de rotation, palier à roulement instrumenté et moteur électrique ainsi équipé. L'invention concerne le domaine de la détection de paramètres de rotation d'un élément par rapport à un autre, par exemple un palier à roulement dans lequel un organe tournant du palier porte un codeur et un organe non tournant du palier porte un capteur dans le but de déterminer la vitesse de rotation de l'élément tournant supportant le codeur. De tels dispositifs trouvent leur application dans de nombreux domaines, tels que les moteurs électriques dans lesquels ils sont amenés à fonctionner dans des conditions sévères de température, les servomoteurs, les dispositifs de détection angulaire utilisés dans les directions assistées pour automobiles. On connaît par le document FR-A-2 754 903, un palier à roulement comprenant un capteur solidaire de la bague non tournante, de type sonde à effet Hall, et un codeur solidaire de la bague tournante défilant en rotation avec un faible entrefer par rapport au capteur tout en étant capable de produire dans le capteur un signal périodique de fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation de la bague tournante. Le codeur comprend une partie active annulaire réalisée avec un plasto-aimant et pourvue d'une zone active disposée en regard du capteur, complétée par une partie de renforcement composée de deux éléments annulaires disposés en contact avec la partie active, de chaque côté de la zone active. Un tel roulement donne généralement satisfaction, notamment dans le domaine des moteurs électriques. Toutefois, ce type de codeur ne peut pas fonctionner à des températures élevées, de l'ordre de 1200. Le capteur et le codeur ne fonctionnent pas de façon satisfaisante s'ils sont soumis à des champs magnétiques externes de forte intensité. Enfin, la compacité axiale du palier à roulement ainsi instrumenté n'est pas optimale. Dans les moteurs électriques synchrones, le pilotage du moteur nécessite une détection des paramètres de rotation du moteur. Il est en effet nécessaire de connaître la position du rotor par rapport au stator pour pouvoir adapter la fréquence, l'intensité et le sens du courant entrant dans les bobines du stator. L'utilisation d'un codeur de type multipolaire associé à une sonde à effet Hall, ne peut convenir que pour des applications dans lesquelles la puissance et les exigences de précision de pilotage sont relativement faibles, et qui ne demandent pas d'information de position absolue pour le pilotage du moteur. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients. L'invention propose un codeur pour palier à roulement instrumenté, très compact axialement, apte à fonctionner à des températures élevées tout en permettant une détection précise, y compris lorsqu'il est soumis à des champs magnétiques intenses. Le dispositif codeur, selon un aspect de l'invention, est destiné à la détection de paramètres de rotation, en particulier la position angulaire absolue d'un élément tournant. Le dispositif codeur comprend une portion de support comportant un alésage circulaire, et une portion radiale. La distance radiale entre le centre de rotation de la portion de support et le pourtour périphérique extérieur de la portion radiale à l'opposé de la portion circulaire varie de façon progressive et continue en fonction de la position angulaire considérée. On peut ainsi détecter la position angulaire et le sens de rotation. Dans un mode de réalisation, la portion de support est une portion axiale. Dans un mode de réalisation, le contour périphérique de la portion radiale est circulaire, le centre géométrique du cercle définissant ledit contour étant situé sur un axe parallèle à l'axe de rotation de la portion de support. Dans un mode de réalisation, le contour périphérique de la portion radiale est ovale et la portion radiale est équilibrée en rotation. Le palier à roulement, selon un aspect de l'invention, comprend une partie tournante et une partie non tournante, la partie tournante comprenant un codeur pour permettre une détection, de paramètres de rotation, en particulier la position angulaire absolue de la partie tournante. Ledit codeur comprend une portion de support comportant un alésage circulaire, et une portion radiale. La distance radiale entre le centre de rotation de la portion de support et le pourtour périphérique de la portion radiale à l'opposé de la portion circulaire varie de façon progressive et continue en fonction de la position angulaire du codeur par rapport à une référence de la partie non tournante. Dans un mode de réalisation, la portion de support est emmanchée sur un support appartenant à la partie tournante. Dans un mode de réalisation, le palier comprend un capteur pourvu d'au moins une micro-bobine plane radiale disposée en regard du codeur. Dans un mode de réalisation, la bobine est disposée sur un support d'un circuit de traitement monté dans un bloc-capteur de la partie non tournante. Dans un mode de réalisation, le capteur est pourvu d'au moins une paire de micro-bobines reliées à un circuit de traitement apte à générer un signal différentiel. Dans un mode de réalisation, le codeur est disposé dans l'espace situé entre les bagues de roulement. Dans un mode de réalisation, le capteur est disposé axialement en regard de la portion radiale du codeur. Le moteur électrique, selon un aspect de l'invention, comprend un rotor, un stator, au moins un roulement de support du rotor, et un ensemble capteur comprenant un codeur et un capteur. Ledit codeur comprend une portion du support comportant un alésage circulaire, et une portion radiale. La distance radiale entre le centre de rotation de la portion circulaire et le pourtour périphérique de la portion radiale à l'opposé de la portion circulaire varie de façon progressive et continue en fonction d'une position angulaire relative du codeur par rapport à une partie fixe. Le moteur peut être de type synchrone, dans lequel on souhaite réaliser un pilotage fin en mesurant de façon précise les paramètres de rotation. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de microbobines de réception sensiblement coplanaires radiales. Le capteur peut ainsi réaliser une détection précise. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une pluralité de microbobines de réception disposées selon une pluralité de plans radiaux parallèles. On peut ainsi disposer d'un nombre plus élevé de bobines de réception assurant une précision accrue. Les bobines peuvent être réalisées en technologie circuit imprimé. Le support peut être une carte de circuit imprimé ou une plaque de résine. Avantageusement, le dispositif comprend une pluralité de microbobines associées par paires et décalées angulairement afin de générer un signal différentiel. Un tel signal différentiel est moins sensible aux champs électromagnétiques. La précision de la détection des paramètres de rotation est donc accrue. Le codeur peut être réalisé de façon monobloc. Le codeur peut être réalisé en tôle emboutie. Pour des raisons de compacité, il est judicieux de prévoir que le codeur est disposé dans l'espace entre les bagues de roulement, c'est-à-dire radialement entre les surfaces cylindriques des bagues qui s'étendent entre les pistes de roulement et les surfaces frontales délimitant lesdites bagues, et axialement au droit desdites surfaces cylindriques, entre les éléments roulants et les surfaces radiales frontales des bagues du roulement. Dans un mode de réalisation de l'invention, le bloc-capteur est annulaire. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le bloccapteur occupe un secteur angulaire inférieur à 180 , par exemple de l'ordre de 1200. Dans un mode de réalisation de l'invention, le circuit de traitement des données est une puce réalisée de façon spécifique (ASIC). On entend ici par microbobine, une bobine à enroulement formé sur un circuit, par exemple un serpentin de cuivre sur une carte de circuit imprimé. L'épaisseur de la carte et de la microbobine est de l'ordre de 1 mm. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un palier à roulement instrumenté, selon un mode de réalisation de l'invention; -la figure 2 est une vue partielle du capteur de la figure 1 -la figure 3 est une vue de face en élévation du codeur de la figure 1; -la figure 4 est un graphique des courbes des signaux de sortie de deux bobines; et -la figure 5 est un schéma électrique du capteur. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le palier à roulement 1 comprend une bague extérieure 2, une bague intérieure 3, une rangée d'éléments roulants 4, ici des billes, disposés entre la bague extérieure 2 et la bague intérieure 3 et maintenus par une cage 5, un joint d'étanchéité 6 sur l'un de ses côtés, et sur le côté opposé un capteur de vitesse 5 solidaire de la bague extérieure 2 et un codeur 8 solidaire de la bague intérieure 3. Dans le mode de réalisation représenté, la bague extérieure est non tournante et la bague intérieure est tournante. Toutefois, la disposition inverse est parfaitement envisageable. Le capteur 7 comprend une partie de détection 9 illustrée plus en détail sur la figure 2, un bloc-support 10 en matériau synthétique, et un élément métallique 11 emmanché sur une portée de la bague extérieure 2, ici dans la rainure servant habituellement à la fixation du joint d'étanchéité prévue dans les roulements non instrumentés. Un câble 12 relié à la partie de détection 9 permet de transmettre des informations de vitesse, ou plus généralement des paramètres de rotation à d'autres unités aptes à exploiter de telles données et qui n'ont pas été représentées. L'élément métallique 11 se complète par une courte portion radiale dirigée vers l'extérieur à partir de la portion lla et en contact d'un côté avec la surface radiale d'extrémité 2c de la bague extérieure 2, et de l'autre côté avec le bloc-support 10 du capteur 7, et par une portion axiale lic s'étendant à partir de l'extrémité libre de la portion radiale llb qui entoure radialement le bloc-support 10, à l'exception de la zone de sortie du câble 12 o il est prévu que le bloc-support 10 s'étende vers l'extérieur, formant une protubérance 21 entourant le câble 12 et protégeant sa sortie. Le bloc-support 10 est réalisé en matériau synthétique et présente une forme générale annulaire avec la protubérance 21 en saillie sur sa périphérie et un creux axial à partir de sa face radiale du côté du roulement qui constitue un logement pour la partie de détection 9 en la recouvrant sur sa face opposée au roulement et sur son épaisseur dans le sens radial. Le bloc-support 10 et la partie de détection 9 sont solidaires. Le codeur 8, voir figures 1 et 3, comprend une partie de support 13 et une partie opérationnelle 14. La partie de support 13 est de forme tubulaire emmanchée sur une portée cylindrique 3a de la bague intérieure 3 formée entre la piste de roulement 3b qui est en contact avec les éléments roulants 4 et une surface radiale 3c qui forme l'extrémité de la bague intérieure 3 dans le sens axial du côté du capteur. La partie opérationnelle 14 est radiale et présente une périphérie dont la distance radiale h par rapport à la partie de support 13 varie progressivement et de façon continue en fonction de la position angulaire cc par rapport à un repère. On entend par " varie progressivement et de façon continue ", le fait que la distance radiale h est continue et que la dérivée de la distance radiale h par rapport à l'angle cc qui s'écrit d est continue. Ici, la périphérie 15 de la partie opérationnelle 14 est circulaire et centrée sur un axe parallèle à l'axe de la portion de support 13. En d'autres termes, la partie opérationnelle 14 présente une hauteur radiale variable h sans présenter de discontinuités de matière dans le sens circonférentiel. Cette hauteur radiale variable h peut s'exprimer en fonction de l'angle par la relation h = e cos cc - r + R12-(e sincx)2, voir figure 3. E est l'excentration entre l'axe de rotation du codeur et l'axe géométrique du cercle de rayon Rldéfinissant la périphérie du codeur; r est le rayon du cercle définissant la base de la partie opérationnelle du codeur. Par ailleurs, on a R = r + h A titre de variante, la partie opérationnelle 14 peut être de pourtour ovale coaxial à la partie de support 13 ou présenter un certain nombre de lobes. La partie opérationnelle 14 et la partie de support 13 sont réalisées de façon monobloc, d'o une construction économique et particulièrement robuste. Le codeur 8 peut être réalisé à partir d'une tôle métallique au moyen d'étapes d'emboutissage. On remarque que la partie opérationnelle 14 est légèrement en retrait par rapport à la surface radiale 3c de la bague intérieure 3. Le codeur 8 est donc particulièrement compact et se trouve disposé dans l'espace défini radialement entre les bagues 2 et 3 du roulement et axialement entre les éléments roulants 4 et le plan radial par lequel passent les surfaces d'extrémité 2c, 3c desdites bagues 2 et 3. La partie de détection 9 du capteur 7 comprend un support 17 sur lequel sont montés un circuit intégré 18, par exemple de type ASIC, et qui est destiné au traitement des données, quatre microbobines 19 à 22 décalées de 900 deux à deux et quatre condensateurs 23 à 26 (cf figure 5), chacun disposé parallèlement aux microbobines 19 à 22, notamment pour effectuer un filtrage. Deux microbobines 19 et 21, 20 et 22 décalées de 90 sont disposées en série. Avantageusement, les condensateurs 23 à 26 sont intégrés dans le circuit 18. La partie de détection 9 est disposée axialement à une faible distance de la partie opérationnelle 14 du codeur 8 et occupe un secteur angulaire de l'ordre de 1200, tout en étant insérée dans le blocsupport 10 qui est lui circulaire. La partie de détection 9 possède une face non recouverte par la matière du bloc-support 10 et orientée en regard du codeur 8. Les microbobines 19 à 22 sont du type à enroulement plan perpendiculairement à l'axe de rotation et peuvent être du genre circuit imprimé. La planéité des enroulements assure une compacité axiale excellente au capteur 7. En outre, les bobines 19 à 22 présentent un contour extérieur carré et sont disposées deux d'un côté et de l'autre du circuit de traitement des données 18 sur l'arc de cercle formé par le support 17. Les bobines 19 à 22 et les condensateurs 23 à 26 sont reliés au circuit de traitement des données 18, lui-même relié de façon non représentée au câble 12. L'élément métallique 11 comprend une partie formant crochet lia repliée dans la rainure de la bague extérieure 2 servant habituellement à l'accrochage d'un élément d'étanchéité qui, dans un roulement non instrumenté, est classiquement symétrique du joint d'étanchéité 6. Le mode de fonctionnement de l'ensemble capteur-codeur est le suivant. Les bobines 19 à 22 alimentées en énergie électrique par exemple par une tension continue créent un champ magnétique dont les lignes de champ, qui tendent à passer par la partie opérationnelle 14 du codeur 8, sont modifiées selon la hauteur radiale de la partie opérationnelle 14. La rotation du codeur provoque donc une variation linéaire de courant dans les bobines, ceci constituant la base du signal qui sera ensuite traité de façon adéquate par le circuit 18. Chaque bobine 19 à 22 est associée à un condensateur 23 à 26 qui contribue à la linéarité du signal. Comme la partie opérationnelle 14 du codeur 8 présente une hauteur variant sinusodalement sur un tour, le signal de sortie est un signal analogique de forme sinusodale simple ce qui est intéressant pour le traitement effectué en aval du capteur. Le codeur peut être réalisé en un matériau métallique magnétique, comme l'acier, ou encore amagnétique, comme l'aluminium ou le cuivre. Il est avantageux de réaliser le codeur 8 en un matériau amagnétique et électriquement conducteur, notamment si une utilisation du roulement instrumenté dans des champs magnétiques intenses est prévue. On évite ainsi que le champ magnétique intense S extérieur au roulement instrumenté ne perturbe la mesure, par exemple par saturation du codeur. Les microbobines 19 à 22 fonctionnent par paires 27, 28 pour fournir un signal différentiel. Lorsque le codeur défile à rotation devant le capteur, la variation de hauteur radiale de la partie opérationnelle 14 provoque une variation de la masse métallique qui se trouve en face des microbobines 19 à 22. Les paires de bobines 19 à 22 sont décalées angulairement. Les bobines de la paire 27 sont donc disposées en face d'une portion de la partie opérationnelle 14 de hauteur radiale différente de celle de la portion de la partie opérationnelle 14 en face de laquelle se trouvent les bobines de la paire 28. Il en résulte des variations des courants induits différentes qui génèrent une différence de phase des courants en sortie des bobines. Sur la figure 4, sont illustrées les formes d'onde du signal en sortie de chacune des paires 27, 28 de bobines 19 à 22. Ce déphasage peut alors être traité et extrait de façon adéquate par le circuit de traitement 18, afin d'obtenir les informations désirées, telles que la position angulaire absolue, le sens de rotation, la vitesse, etc. De préférence, les paires de bobines sont décalées de 900 et émettent en sortie un signal sinusodal et un signal cosinusodal représentatif du même angle O. La position angulaire absolue peut alors être calculée de façon unique par 0 = Arctan(sinO/cosO), du fait que le système génère une seule valeur sinus/cosinus par tour mécanique du codeur 8. Ce calcul peut être effectué par le circuit 18 ou par un autre circuit monté en aval et non représenté. La génération du signal électronique ne dépend donc pas du niveau ou de la direction d'un champ magnétique capté par les microbobines, mais de la modification des courants induits dans celleci en présence des variations des masses métalliques défilant devant lesdites microbobines. Les bobines 19 à 22 sont réparties sur le support 17 avec une position radiale et un pas angulaire adéquat pour coopérer avec la partie opérationnelle 14 du codeur 8 et fournir les signaux voulus. On peut, si nécessaire, augmenter le nombre de bobines 19 à 22 dans le sens circonférentiel, ou encore utiliser un empilage de plusieurs bobines dans le sens axial, afin d'obtenir des signaux de plus forte puissance. L'épaisseur des microbobines étant extrêmement faible, de même que celle du circuit de traitement 18, le capteur 7 a des dimensions axiales extrêmement réduites, permettant une intégration dans un bloc-capteur 10 présentant lui-même des dimensions axiales très faibles. De même, le codeur peut, de par sa structure, présenter une épaisseur axiale très faible et être intégré sans problème dans l'espace compris entre les bagues du roulement, de telle sorte que ledit codeur n'affecte pas les dimensions externes du roulement instrumenté. Sur la figure 5, sont illustrées de façon plus détaillée les fonctions électriques du système. On voit que les bobines 19 à 22 sont groupées en deux paires référencées 27 et 28 et représentées par un cadre en traits discontinus. Les bobines 19 à 22 et les condensateurs 23 à 26 sont reliés au circuit de traitement 18, qui contribue à la linéarité des signaux des bobines. Le circuit de traitement 18 comprend deux démodulateurs de phase 29 et 30 reliés à la sortie de chacune des bobines 19 à 22. Le circuit 18 comprend en outre deux comparateurs interpolateurs 31, 32, montés respectivement en sortie des démodulateurs de phase 29 et 30. En sortie, le circuit de traitement 18 émet un signal numérique représentatif d'au moins un paramètre de rotation du roulement, tel que la position angulaire absolue, le sens de rotation, la vitesse, l'accélération, etc. On réalise ainsi un roulement instrumenté facilement intégrable dans un ensemble mécanique du fait de son faible encombrement, apte à fonctionner à des températures élevées, telles que celles régnant dans un moteur électrique, et apte à fonctionner dans un environnement soumis à des champs magnétiques de forte puissance. il Ces qualités confèrent au roulement instrumenté, selon l'invention, des aptitudes intéressantes pour son utilisation dans un moteur électrique synchrone de forte puissance, le roulement instrumenté pouvant remplir à la fois la fonction mécanique de palier et les fonctions électroniques de détection nécessaires au pilotage du moteur. Le roulement instrumenté suivant l'invention pourra donc être utilisé dans de nombreux domaines industriels et applications, tels que les robots, les colonnes de direction pour véhicules automobiles, les véhicules de manutention, etc. REVENDICATIONS 1-Dispositif codeur (8) pour détection de paramètres de rotation, en particulier la position angulaire absolue d'un élément tournant, comprenant une portion de support (13) comportant un alésage circulaire, et une portion radiale (14), caractérisé par le fait que la distance radiale entre le centre de rotation de la portion de support (13) et le pourtour périphérique extérieur (14a) de la portion radiale (14) à l'opposé de la portion circulaire varie de façon progressive et continue en fonction de la position angulaire considérée. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la portion de support (13) est une portion axiale. 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le contour périphérique (15) de la portion radiale est circulaire, le centre géométrique du cercle définissant ledit contour étant situé sur un axe parallèle à l'axe de rotation de la portion de support (13). 4-Palier à roulement (1) comprenant une partie tournante et une partie non tournante, la partie tournante comprenant un codeur (8) pour permettre un détection de paramètres de rotation et en particulier la position angulaire absolue de la partie tournante, ledit codeur comprenant une portion de support (13) comportant un alésage circulaire (13), et une portion radiale (14), caractérisé par le fait que la distance radiale entre le centre de rotation de la portion de support (13) et le pourtour périphérique (15) de la portion radiale (14) à l'opposé de la portion circulaire varie de façon progressive et continue en fonction de la position angulaire du codeur par rapport à une référence de la partie non tournante. -Palier selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la portion de support (13) est emmanchée sur un support appartenant à la partie tournante. 6-Palier selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (7) pourvu d'au moins une micro-bobine plane radiale (19) disposée en regard du codeur. 7-Palier selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la bobine (19) est disposée sur un support (17) d'un circuit de traitement (18) monté dans un bloc-capteur (10) de la partie non tournante. 8-Palier selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que le capteur (7) est pourvu d'au moins une paire (24) de microbobines reliées à un circuit de traitement (18) apte à générer un signal différentiel. 9-Palier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le codeur est disposé dans l'espace situé entre les bagues (2, 3) de roulement. -Palier suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur (7) est disposé axialement en regard de la portion radiale (14) du codeur (8). il-Moteur électrique comprenant un rotor, un stator, au moins un roulement (1) de support du rotor, et un ensemble capteur comprenant un codeur (8) et un capteur (7), ledit codeur comprenant une portion du support (13) comportant un alésage circulaire, et une portion radiale (14) , caractérisé par le fait que la distance radiale entre le centre de rotation de la portion circulaire (13) et le pourtour périphérique (15) de la portion radiale (14) à l'opposé de la portion circulaire varie de façon progressive et continue en fonction d'une position angulaire relative du codeur par rapport à une partie fixe.