Brevet FR2854456A1 — publié le 20041105

CAPTEUR INDUCTIF DE POSITION ANGULAIRE La présente invention concerne les capteurs inductifs de position angulaire, et plus particulièrement les capteurs inductifs différentiels, fréquemment désignés par l'abréviation anglo-saxonne RVDT (Rotary variable differential transformer). Plus particulièrement, l'invention concerne un capteur inductif différentiel de position angulaire, comprenant : - un stator ayant une armature de révolution autour d'un axe, en matériau ferromagnétique, portant : un bobinage primaire annulaire centré sur l'axe, prévu pour être alimenté par une tension alternative, de constitution telle qu'il génère un flux électromagnétique dans l'armature et une pluralité de bobinages secondaires répartis angulairement autour de l'axe et traversant l'armature par des encoches ménagées dans le sens axial, - un rotor en matériau ferromagnétique ayant, dans le sens axial, un premier tronçon, situé au droit du bobinage primaire, et un deuxième tronçon présentant, au droit des bobinages secondaires, un segment en forme de portion de cylindre, les premier et deuxième tronçons provoquant un couplage du bobinage primaire avec les bobinages secondaires qui varie en fonction de la position angulaire du rotor. On connaît en particulier des capteurs de ce type comportant deux bobinages secondaires fournissant chacun une tension de sortie. Ces deux tensions de sorties sont linéaires sur 35 degrés de rotation du rotor. Les deux tensions de sortie délivrent deux informations complémentaires. La somme des deux tensions secondaires peut être considérée comme constante et la différence de ces deux tensions peut être considérée comme proportionnelle à l'angle de rotation du rotor. Le principe de fonctionnement de ce type de capteur inductif différentiel de transformation d'angles, permet d'obtenir une précision de l'ordre de 0,3 degré d'angle, à la température ambiante, sur un débattement angulaire de 35 degrés, et une précision de l'ordre de 1,7 degré d'angle sur une plage de température de -55[deg]C à +170[deg]C sur le même débattement angulaire. Cette précision est très sensible aux charges capacitives installées sur les bobinages secondaires. Cette charge capacitive augmente la courbure de la courbe de précision sur les plages angulaires comprises entre -35 et 20 degrés et entre +20 et +35 degrés. De plus, ce capteur a un déphasage entre les deux tensions de sortie qui varie de 5 à 25 degrés, à température ambiante, et de 5 à 32 degrés sur toute la plage de température comprise entre -55[deg]C et +170[deg]C. Néanmoins, les utilisateurs de ce type de capteur ont souvent besoin d'une meilleure précision sur toute la plage de température et sur un plus grand débattement pour éliminer le réducteur mécanique qui sert d'interface et compense la faible plage angulaire du capteur. De plus les niveaux de déphasage limitent la technologie de l'électronique du calculateur. La présente invention vise en particulier à fournir un capteur inductif de position angulaire répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment ayant un domaine angulaire d'utilisation important (ce qui permettra souvent d'éviter l'emploi d'un engrenage réducteur d'angle de rotation) et une linéarité de réponse élevée, tout en restant de constitution simple. Dans ce but, l'invention propose notamment un capteur inductif du genre indiqué ci-dessus caractérisé par le fait qu'en outre les bobinages secondaires qui sont au nombre de deux, sont chacun respectivement disposés dans un groupe d'encoches et que chaque groupe d'encoches est symétrique de l'autre par rapport à un plan médian passant par l'axe. Grâce à ces dispositions, on obtient : - une linéarité des tensions de sortie, sur un débattement de 85 degrés ; - un déphasage entre les tensions de sortie qui reste inférieur à 6 degrés à la température ambiante et 12 degrés sur toute la plage de température de -55[deg]C à +170[deg]C ; - une courbure de la courbe de précision qui ne dépend pas des charges sur les bobinages secondaires ; - une précision angulaire de 0,3 degré sur 75 degrés à température ambiante et une précision angulaire de 0,9 degré sur toute la plage de température de -55[deg]C à +170[deg]C ; - un encombrement qui reste similaire aux capteurs RVDT classiques ; et - une fiabilité identique à celle d'un capteur RVDT classique. Le bobinage primaire peut être formé par un seul bobinage. Il peut également être constituée de deux bobinages annulaires placés de part et d'autre des bobinages secondaires. L'armature entoure le rotor. Elle comporte avantageusement une première partie annulaire, qui peut être en matériau massif, portant un support pour le bobinage primaire et une seconde partie en forme d'anneau, en matériau ferromagnétique feuilleté dans le sens axial, portant les bobinages secondaires. La première partie peut notamment avoir une section droite en L. Les deux bobinages secondaires peuvent traverser la seconde partie par des encoches communes situées à 180[deg] de l'une de l'autre. On peut avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la seconde partie de l'armature est en matériau ferromagnétique feuilleté dans le sens axial ; - les deux bobinages secondaires présentent le même nombre de spires ; - chaque bobinage secondaire comporte neuf bobines ; - chacune des neuf bobines appartient à un groupe choisi parmi cinq groupes se distinguant par un nombre de spires différent qui est respectivement de 60, 65, 85, 90 ou 100 spires par bobine ; - il comporte un amplificateur différentiel relié aux bobinages secondaires pour fournir un signal de sortie ; - les bobinages secondaires sont connectés en série pour fournir les harmoniques des signaux des bobinages secondaires ;et - le bobinage primaire est constitué de deux bobines annulaires placées de part et d'autre du plan médian et du segment en forme de portion de cylindre. Un capteur de ce type a été réalisé, avec un stator dont la première partie est massive et dont la seconde partie est constituée par un empilement de tôles. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 représente de manière simplifiée un capteur, partiellement en coupe suivant un plan médian passant par l'axe ; - la figure 2 est une vue en élévation d'une des tôles du stator, faisant apparaître les encoches de passage des bobinages secondaires portés par le stator ; - la figure 3 montre une répartition, sous forme développée, des bobinages secondaires ; - la figure 4 représente schématiquement en coupe une variante de réalisation du rotor ; - la figure 5 représente schématiquement en élévation latérale, le rotor représenté sur la figure 4 ; - la figure 6 est un schéma électrique de principe du capteur ;- la figure 7 montre l'allure de la variation des tensions de sortie des deux bobinages secondaires ou statoriques en fonction de l'angle du rotor par rapport à sa position médiane ; - la figure 8 représente schématiquement en coupe une autre variante de réalisation du rotor ; - la figure 9 représente schématiquement en élévation latérale, le rotor représenté sur la figure 8 ; - la figure 10 représente schématiquement en coupe encore une autre variante de réalisation du rotor ; et - la figure 11 représente schématiquement en élévation latérale, le rotor représenté sur la figure 10. Le capteur représenté sur la figure 1 peut être regardé comme ayant un stator 2 et un rotor 4. Le stator 2 comporte une armature 3 en matériau ferromagnétique, constituée d'une première 11 et d'une seconde 10 parties assemblées dans le cas illustré en figure 1. La première partie 11, qui peut être notamment en matériau ferromagnétique massif, est de révolution avec une section droite en forme de L. Dans cette première partie 11 est pratiqué un logement annulaire de réception formant support 12 pour un bobinage primaire 13. Le bobinage primaire 13 est constitué par un enroulement de spires jointives. Ce bobinage primaire 13 a un montage et une constitution similaires à celles d'une bobine de transformateur tournant. Il est prévu pour être alimenté par un générateur sous une tension alternative constante. En général, la fréquence d'alimentation sera comprise entre 400 Hz et 10 KHz. La seconde partie 10 de l'armature du stator est constituée par un anneau fixé à la première partie pour assurer la continuité du circuit magnétique, ayant une structure feuilletée dans le sens axial. On peut notamment utiliser des tôles 28 minces (par exemple de 0,35 mm d'épaisseur environ) en fer-nickel. Dans une variante de réalisation, utilisable notamment lorsque la fréquence d'alimentation est relativement basse, la partie 10 est en matériau ferromagnétique massif. Chaque tôle 28 est, comme représenté sur la figure 2, percée de N encoches ou ouvertures 16. Dans le cas décrit ici, N=16. On a deux groupes de 8 encoches 16. Deux encoches, les encoches numérotées 1 et 9 sur la figure 2, sont communes au deux groupes. Les deux groupes sont disposés symétriquement de part et d'autre d'un plan médian 15 passant par un axe 17 et les encoches numéros 1 et 9. La seconde partie 10 porte deux bobinages secondaires, 14a et 14b, disposés symétriquement par rapport au plan médian 15. Chaque bobinage 14a, 14b est réparti dans un groupe d'encoches. Chaque bobinage secondaire 14a, 14b est composé de N+l bobines, donc neuf dans le cas décrit ici. Ces neuf bobines sont réalisées avec un même nombre de spires pour chaque bobinage secondaire 14a, 14b. Chacune des neuf bobines appartient à un groupe choisi parmi cinq groupes A, B, C, D et E se distinguant par un nombre de spires différent qui est respectivement de 65, 90, 60, 85 et 100 spires par bobine. La répartition des groupes A, B, C, D et E par rapport aux encoches 16 est illustrée par la figure 3. La quantité de flux qui traverse ces bobines dépend essentiellement de la position du rotor 4 par rapport aux bobinages secondaires 14a, 14b. Un mode de réalisation du rotor 4 est illustré par les figures 4 et 5. Selon ce mode de réalisation, le rotor 4 comporte une partie centrale 24 et deux parties latérales 25. La partie centrale 24 est constituée de deux segments semicylindriques 20, 21, destinés à être placés entre le bobinage primaire 13 et les bobinages secondaires 14a et 14b. Le segment semi-cylindrique 20 est de révolution autour de l'axe 17. Le segment semi-cylindrique 21 est polygonal avec trois plans s'étendant parallèlement à l'axe 17. Le volume du segment semi-cylindrique 20 est supérieur à celui du segment semi-cylindrique 21. De part et d'autre de la partie centrale 24, s'étendent des ailes 25. Chaque aile 25 s'étend sous la forme d'un demi-tube centré sur l'axe 17. Les ailes 25 sont positionnées au droit du bobinage primaire 13 pour l'une et au droit des bobinages secondaires 14a, 14b pour l'autre. Les ailes 25 situées radialement au droit du bobinage primaire 13 et au droit des bobinages secondaires 14a, 14b délimitent un entrefer de faible dimension radiale et constant quelle que soit la position angulaire du rotor 4. En particulier, l'aile au droit des bobinages secondaires 14a, 14b a un diamètre suffisamment supérieur à celui du reste du développement angulaire pour provoquer seul un couplage du bobinage primaire 13 avec les bobinages secondaires 14a et 14b. Ce dernier couplage varie, pour chaque bobinage, en fonction de la position angulaire du rotor 4 et il est localement très serré, là où la valeur de l'entrefer est très faible. L'aile 25 située sous les bobinages secondaires 14a, 14b est segmentée sur 180 degrés mais elle voit une section constante sur un débattement de 80 degrés. Dans ces conditions, quelle que soit la position du rotor 4, l'impédance du circuit magnétique reste constante. La position d'origine du capteur est définie au moment où le centre de l'aile 25 située sous les bobinages secondaires 14a, 14b, est lui-même situé face à l'ouverture de l'encoche n[deg] 9. Tout le flux magnétique généré par les bobines passe dans le satellite, dans les tôles de la deuxième partie 10 et dans l'armature. La partie centrale 24 du rotor est traversée, selon l'axe 17, d'un passage 23 permettant d'associer le rotor, conçu ici comme un satellite, à un arbre. Cet arbre est par exemple constitué d'un matériau magnétique tel que l'inox 303. Le satellite représenté sur les figures 4 et 5 est constitué d'un matériau magnétique tel que FeNi 49. Le satellite et l'arbre sont solidarisés l'un à l'autre, par exemple grâce à un collage. Dans un tel capteur, électriquement schématisé sur la figure 6, les tensions U14a et U14b qui apparaissent aux bornes des bobinages secondaires 14a, 14b, pour une tension Up donnée aux bornes du bobinage primaire 13, varient en fonction de la position angulaire du rotor 4. Le signal de sortie représentatif de l'angle du rotor par rapport à une position médiane peut être fourni par un amplificateur différentiel relié aux bobinages secondaires 14a, 14b. En fonction de la position du rotor 4, le bobinage secondaire 14a (respectivement 14b) génère une tension alternative d'amplitude qui varie avec cette position (figure 7), proportionnelle et en phase (respectivement en opposition de phase) avec la tension Up aux bornes du bobinage primaire 13. La variation d'amplitude de la tension mesurée aux bornes du bobinage secondaire 14a (respectivement 14b) dépend du rapport des surfaces de chacune des ailes 25, à droite et à gauche (respectivement à gauche et à droite) du plan de symétrie des bobinages secondaires 14a, 14b, dans les encoches 16. La variation des tensions est pratiquement linéaire sur une plage angulaire qui atteint 80[deg] et ne dépend pratiquement pas des charges sur les bobinages secondaires 14a, 14b. Les déphasages des tensions U14a et U14b, aux bornes des bobinages secondaires 14a, 14b, par rapport à la tension aux bornes du bobinage primaire 13 restent sensiblement constants quelle que soit la position du rotor 4. Dans une variante de réalisation, le capteur permet de fournir un signal représentatif d'harmoniques en connectant en série les bobinages secondaires 14a et 14b. La connaissance de telles harmoniques est utilisée dans certains circuits d'asservissement. Dans une variante, le rotor 4 est de constitution massive au lieu d'être en plusieurs pièces assemblées, comme indiqué ci-dessus. Dans une autre variante, les bobinages secondaires 14a, 14b sont montés en série-opposition et fournissent directement un signal de sortie. Selon encore une autre variante, les tôles de la seconde partie 10 peuvent comporter des encoches 16 ouvertes vers l'extérieur. Ces encoches s'ouvrent sur un angle de 10[deg] de part et d'autre du plan médian passant par deux encoches symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe 17. Selon encore une autre variante illustrée par les figures 8 et 9, le rotor 4 ne comporte qu'une aile 25 destinée à être disposée au droit des bobinages secondaires 14a, 14b, tandis que la partie latérale destinée à être disposée au droit du bobinage primaire 13 est cylindrique de révolution et centrée sur l'axe 17. Selon encore une autre variante illustrée par les figures 10 et 11, le rotor 4 est constitué de deux parties 30, 31. Une partie 30 comprend l'aile 25 destinée à être disposée au droit des bobinages secondaires 14a, 14b, ainsi qu'une portion de la partie centrale 24 telle que décrite ci-dessus. Une autre partie 31 comprend un tronçon cylindrique de révolution centré sur l'axe 17 et destiné à être disposé au droit du bobinage primaire 13 et une portion de la partie centrale 24 telle que décrite ci-dessus. Ces deux parties 30, 31 n'ont pas le même diamètre. Eventuellement, le demi-tube constitutif de l'aile 25 est décalé angulairement autour de l'axe 17, par rapport au plan représenté horizontalement sur la figure 10, c'est-à-dire par rapport au segment semi-cylindrique 21 polygonal. De nombreuses autres variantes de l'invention peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, on pourra utiliser différentes combinaisons des différentes variantes mentionnées et décrites ci-dessus. On peut aussi augmenter la zone de mesure angulaire pour une précision dégradée jusqu'à +/-90[deg]. On peut augmenter les tensions aux bornes des bobinages secondaires 14a, 14b en ajoutant un bobinage de compensation, pour chaque bobinage secondaire, dans le support du bobinage primaire 13. On peut utiliser d'autres matériaux magnétiques pour réaliser le capteur selon l'invention. De même, le paquet de tôles peut être réalisé en massif. Ce type de capteur inductif différentiel de transformation d'angles est très utilisé dans les vannes à air de réacteur, dans les servocommandes de profondeur d'avion ou dans les capteurs de train d'avion. On peut utiliser le capteur selon l'invention en capteur dit Rotary Variable Transformer , en ne mesurant qu'une seule tension de sortie. REVENDICATIONS 1. Capteur inductif différentiel de position angulaire, comprenant : - un stator (3) ayant une armature (10,11) de révolution autour d'un axe (17), en matériau ferromagnétique, portant : un bobinage primaire annulaire (13) centré sur l'axe (17), prévu pour être alimenté par une tension alternative, de constitution telle qu'il génère un flux électromagnétique dans l'armature (10,11) et . une pluralité de bobinages secondaires (14a,14b) répartis angulairement autour de l'axe (17) et traversant l'armature par des encoches ménagées dans le sens axial, - un rotor (4) en matériau ferromagnétique ayant, dans le sens axial, un premier tronçon, situé au droit du bobinage primaire (13), et un deuxième tronçon présentant, au droit des bobinages secondaires (14a,14b), un segment en forme de portion de cylindre, les premier et deuxième tronçons provoquant un couplage du bobinage primaire (13) avec les bobinages secondaires (14a,14b) qui varie en fonction de la position angulaire du rotor (4), caractérisé par le fait que les bobinages secondaires (14a,14b)sont au nombre de deux, que chaque bobinage (14a ou 14b) est disposé dans un groupe d'encoches (16) et que chaque groupe d'encoches (16) est symétrique de l'autre par rapport à un plan médian (15) passant par l'axe (17). 2. Capteur suivant la revendication 1, dont l'armature comporte une première partie annulaire en matériau massif, pouvant présenter une section droite en L, portant un support du bobinage primaire (13), et une seconde partie en forme d'anneau, portant les bobinages secondaires (14a, 14b) . 3. Capteur suivant la revendication 2, dont la seconde partie de l'armature est en matériau ferromagnétique feuilleté dans le sens axial. 4. Capteur suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux bobinages secondaires (14a,14b) présentent le même nombre de spires. 5. Capteur suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque bobinage secondaire (14a,14b) comporte neuf bobines. 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel chacune des neuf bobines appartient à un groupe choisi parmi cinq groupes (A,B,C,D,E) se distinguant par un nombre de spires différent qui est respectivement de 60, 65, 85, 90 ou 100 spires par bobine. 7. Capteur suivant l'une des revendications précédentes, comportant un amplificateur différentiel (22) relié aux bobinages secondaires (14a,14b) pour fournir un signal de sortie. 8. Capteur suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel les bobinages secondaires (14a,14b) sont connectés en série pour fournir les harmoniques des signaux des bobinages secondaires (14a,14b). 9. Capteur suivant l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le bobinage primaire (13) est constitué de deux bobines annulaires placées de part et d'autre du plan médian (15) et du segment en forme de portion de cylindre.