FR2619450A1 - Capteur de vitesse et de couple comportant un aimant permanent en regard d'un element rotatif - Google Patents

Capteur de vitesse et de couple comportant un aimant permanent en regard d'un element rotatif Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un capteur de vitesse et de couple comportant des bobines et agencé de manière qu'un éventuel court-circuit intéressant une des bobines n'affecte pas la précision de mesure du couple. Le capteur 10 comporte un aimant permanent 15 et une pièce polaire 16 autour de laquelle sont enroulées ensemble une bobine de couple 24 et deux bobines de vitesse 22 et 23 identiques à la bobine de couple. Chaque bobine de vitesse est branchée en série avec une résistance respective 26 valant environ cinquante fois la résistance de la bobine, si bien qu'un éventuel court-circuit au-delà de la résistance n'augmente pas sensiblement le courant débité par la bobine. Une sonde de température 35 est prévue pour corriger la mesure du couple. Application : mesure de la vitesse de rotation et du couple, notamment sur un arbre rotatif équipé de dents qui passent devant le capteur.

Description

- I -
CAPTEUR DE VITESSE ET DE COUPLE COMPORTANT UN AIMANT
PERMANENT EN REGARD D'UN ELEMENT ROTATIF
La présente invention concerne un capteur de vitesse et de couple, comportant un ensemble à aimant permanent, au moins une bobine de vitesse adjacente audit ensemble et au moins une bobine de couple adjacente audit ensemble, ces bobines fournissant des signaux électriques de sortie en réponse au mouvement d'un élément magnétique rotatif en
regard dudit ensemble.
IL est connu d'obtenir un signal de sortie représentatif de la vitesse de rotation d'un arbre, à l'aide d'une roue dentée qui est solidaire de l'arbre
et qui modifie le champ magnétique au voisinage d'un capteur électro-
magnétique quand les dents de la roue passent devant le capteur. Le capteur a habituellement la forme d'une bobine enroulée autour d'un ensemble à aimant permanent, cette bobine produisant un signal électrique alternatif à la fréquence de passage des dents devant ledit ensemble. En mesurant la fréquence ou la période, on peut fournir une
mesure de la vitesse de rotation de l'arbre.
On peut mesurer le couple en fixant à l'arbre deux roues aux extrémités d'une partie de l'arbre ayant un module d'élasticité connu. Les roues sont agencées de manière à avoir des dents imbriquées entre elles en face du capteur. Un accroissement du couple crée une torsion de cette partie de l'arbre entre les roues, donc un déplacement angulaire d'une roue par rapport à l'autre. Il en résulte un déphasage d'un des jeux de dents par rapport à l'autre, ce qui change les écarts entre les dents. A la sortie du capteur, le couple crée donc un déphasage entre les impulsions
produites par les deux jeux de dents.
Il est courant d'avoir dans le capteur plusieurs bobines enroulées ensemble, si bien que les sorties des différentes bobines peuvent être employées dans différents buts ou pour assurer une redondance. Par exemple, on peut tirer d'une bobine une indication du couple, et d'une - 2 - autre bobine une indication de la vitesse. Dans des circonstances normales, les capteurs de ce genre peuvent fonctionner de manière satisfaisante avec une précision acceptable. Toutefois, si l'une des bobines est court-circuitée, notamment par un défaut dans le circuit de mesure ou dans les câbles de liaison, cela a pour effet de permettre à la bobine de débiter un courant relativement élevé, et donc de modifier le circuit magnétique formé par les bobines et l'ensemble à aimant permanent. Ainsi, le court-circuit affectant une des bobines modifie fa fonction tension/temps à la sortie de l'autre bobine. Si cette autre bobine ne fournit qu'un signal de vitesse,. cela n'a pas d'effet néfaste sur la précision, mais cela peut avoir un effet néfaste si la sortie de l'autre
bobine est utilisée pour mesurer le couple.
Par conséquent, le but de la présente invention est de fournir un capteur de vitesse et de couple dans lequel la précision du signal de couple n'est pas affectée dans une mesure significative par un court-circuit qui
intéresse une autre bobine.
Dans ce but, la présente invention fournit un capteur de vitesse et de couple du type spécifié en préambule, caractérisé en ce que la ou chaque bobine de vitesse est connectée en série avec une résistance respective comprise dans le capteur, et en ce que ladite résistance présente une résistance électrique valant au moins plusieurs fois celle de la bobine de vitesse correspondante, de sorte qu'un court-circuit à la sortie de cette bobine, au-delà de ladite résistance, n'augmente pas sensiblement le
courant débité par la bobine.
De cette manière, si la bobine de vitesse est court-circuitée, il en résultera un effet très minime sur la précision du signal à la sortie de la
bobine de couple.
De préférence, la ou chaque résistance présente une résistance électrique sensiblement égale à cinquante fois la résistance de la bobine de vitesse correspondante. Le capteur comporte de préférence un boîtier extérieur qui contient l'ensemble à aimant permanent, les bobines et ladite ou lesdites résistances. La ou chaque bobine de vitesse peut être bobinée -3- avec la ou chaque bobine de couple, à laquelle elle peut être
sensiblement identique.
L'ensemble à aimant permanent peut comprendre un aimant permanent et une pièce polaire. De préférence, les bobines de vitesse et de couple sont bobinées sur cette pièce polaire. Le capteur peut aussi comporter
une sonde de température.
On décrira ci-dessous un système comprenant un capteur de vitesse et de couple selon la présente invention, à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels la fig. I représente schématiquement le système, la fig. 2 est une vue en coupe longitudinale du capteur, la fig. 3 représente le circuit électrique du capteur, et la fig. 4 représente en fonction du temps le signal périodique obtenu à la
sortie d'une bobine du capteur.
En fig. 1, on a représenté un système pour détecter le couple et la vitesse d'un arbre rotatif 1. L'arbre I comporte sur sa longueur une partie 2 ayant un module d'élasticité connu. Aux extrémités opposées de la partie 2, sont montées des roues respectives 3 et 4 qui tournent avec l'arbre 4. Chaque roue porte un manchon cylindrique respectif 5, 6 en matière magnétique telle que l'acier, chaque manchon s'étendant coaxialement à l'arbre en direction de l'autre manchon. Les manchons 5 et 6 ont tous deux une forme crénelée, avec des dents 7 et 8 qui
s'étendent axialement entre les dents de l'autre manchon.
Le système comprend également un capteur 10 de forme générale cylindrique, s'étendant radialement par rapport à l'arbre I et ayant une extrémité sensible 11 située tout près des dents 7 et 8. Un câble de sortie 30 comporte à une extrémité un connecteur 31 couplé au capteur , tandis que son autre extrémité est raccordée à une unité de mesure à
26 19450
-4 distance 40 qui fournit des signaux représentant la vitesse et le couple
en vue d'un affichage ou d'une autre utilisation.
En référence aux fig. 2 et 3, le capteur 10 comporte un boîtier extérieur 12 en acier inoxydable, pourvu d'une collerette radiale de montage 13. A l'intérieur du boîtier, près de son extrémité avant sensible 11, il y a un ensemble à aimant permanent 14 formé par un aimant permanent cylindrique 15 brasé à une pièce polaire 16 en fer doux. La pièce polaire 16 a un diamètre plus petit que l'aimant permanent 15 et elle est proéminente axialement par rapport à l'aimant. L'extrémité avant 17 de la pièce polaire s'étend à travers une ouverture 18 du boîtier 12, auquel
elle est brasée.
La pièce polaire 16 est entourée par un ensemble bobiné 20 qui est isolé de la pièce polaire et du boîtier par des feuilles isolantes 21. L'ensemble bobiné 20 comprend trois bobines distinctes 22, 23 et 24 qui sont bobinées ensemble. Les bobines pourraient être disposées adjacentes à l'ensemble à aimant permanent suivant d'autres configurations. Les bobines 22 à 24 sont identiques, faites en fil de cuivre avec une isolation de résine résistante aux températures élevées, et elles ont chacune une résistance de 35 ohms. Les extrémités de chaque bobine sont raccordées chacune à l'un de six fils isolés 25 qui s'étendent jusqu'à l'arrière du boîtier 12. L'un des fils 25 de chacune des bobines 22 et 23 est raccordé à une résistance respective 26 et 27 pour former un montage en série comme le montre la fig. 3. Les deux résistances 26 et 27 sont identiques et ont une valeur de 2 000 ohms. A l'arrière du capteur, six broches de sortie 28 sont raccordées chacune à l'un des fils 25 ou aux résistances 26 et 27, pour établir les connexions électriques des bobines 22 à 24 avec le
connecteur 31 du câble 30.
Le boîtier 12 contient également, à proximité de l'extrémité sensible 11 du capteur 10, une sonde de température 35 telle qu'un élément résistif au platine. Des fils 36 s'étendent vers l'arrière à partir de la sonde 35 et
ils sont reliés à des broches de sortie correspondantes 28.
Dans l'extrémité avant du capteur, un enrobage en résine époxy 37 est prévu entre le boîtier 12 et l'ensemble à aimant 14, l'ensemble bobiné
et la sonde de température 35.
Les signaux de sortie des trois bobines 22 à 24 et de la sonde de température 35 sont transmis par le câble 30 à l'unité de mesure 40. Dans cette unité 40, les signaux provenant des deux bobines 22 et 23 connectées en série avec les résistances 26 et 27 sont délivrés à des circuits respectifs de mesure de vitesse 41 et 42, délivrant chacun des signaux représentatifs de la vitesse à des dispositifs d'utilisation 43 et 44. Les dispositifs d'utilisation sont en général différents l'un de l'autre, par exemple l'un d'eux peut être un affichage et l'autre une unité servant à commander la vitesse de l'arbre. Dans une autre exécution, les dispositifs 43 et 44 peuvent être du même type et assurer une redondance. Les signaux de sortie de l'autre bobine 24 sont délivrés à une unité de mesure de couple 45 qui délivre des signaux de sortie à un dispositif
d'utilisation tel qu'un affichage 46.
La résistance de la sonde de température 35 est mesurée par une unité de mesure de température 47 qui délivre un signal de sortie à l'unité de mesure de couple 45. Ce signal de température est employé par l'unité de mesure de couple 45 pour compenser les variations du module
d'élasticité de l'arbre I en fonction de la température.
La manière de calculer la vitesse et le couple est bien connue et elle ne
sera pas décrite en détail ici.
Pendant le fonctionnement du système, la rotation de l'arbre I génère à la sortie de chaque bobine 22 à 24 un signal ondulatoire du type illustré en fig. 4. La forme du signal comprend à chaque cycle deux pics positifs A et B correspondant respectivement au passage de l'une des dents 7 et de l'une des dents 8 devant le capteur. L'écart entre les pics correspondants A ou B de deux cycles successifs indique la période P des cyles et constitue une mesure de la vitesse de rotation de l'arbre. L'écart T entre des points correspondants des pics A et B générés par les dents 6- des jeux différents constitue une mesure du couple appliqué à l'arbre, car une variation du couple crée un déplacement angulaire relatif entre les
roues 3 et 4 et donc entre les dents 7 et 8.
Les capteurs classiques de vitesse et de couple, c'est-à-dire les capteurs n'ayant pas de résistances branchées en série avec les bobines de vitesse, présentent des imprécisions si l'une ou l'autre des bobines de vitesse est court-circuitée, par exemple à cause d'un dommage ou d'un défaut dans le câble ou dans l'unité de mesure associée. Ceci est dû au fait que la faible résistance de la bobine court-circuitée entraîne une augmentation significative du courant débité par la bobine. Dans le circuit magnétique formé par l'ensemble à aimant, l'ensemble bobiné et les dents, il en résulte un effet qui crée un déplacement de la branche montante du signal issu de la bobine de couple, comme le montre la ligne en traits interrompus en fig. 4. Cette modification du signal de sortie de la bobine de couple, de T à T', correspond à une réduction du couple mesuré. Cet effet est aggravé aux vitesses élevées parce que, dans ce cas, les pics A et B sont plus proches. Dans un capteur non compensé, c'est-à- dire dépourvu de résistances, l'erreur potentielle peut être
d'environ 4% avec une bobine en fil de cuivre.
Avec la présente invention, l'emploi des résistances augmente sensi-
blement l'impédance du circuit de la bobine de vitesse correspondante, de sorte que si cette bobine est court-circuitée, la modification du courant débité par la bobine est très réduite. Bien entendu, ceci n'est valable que si la bobine est court-circuitée à l'extérieur du capteur, au-delà de la résistance 26 ou 27, c'est-à-dire si la résistance est comprise dans le circuit bobiné court-circuité. L'utilisation d'une résistance de 500 ohms avec une bobine de 35 ohms réduit le déphasage à environ 1/2 %; une résistance de I 000 ohms réduit le déphasage potentiel à environ 1/4 %, et une résistance de 2 000 ohms correspond à un déphasage négligeable. D'une manière générale, la résistance doit valoir au moins un multiple de la résistance de la bobine, et de
préférence environ cinquante fois celle de la bobine.
L'augmentation de précision du capteur, qui est assurée par lesdites - 7 résistances, n'exige aucune modification des enroulements des bobines, lesquelles peuvent être identiques entre elles, ce qui simplifie le montage. On peut aussi utiliser le même boîtier puisque les résistances prennent relativement peu de place, si bien qu'on n'a pas besoin de changer la manière de monter le capteur. De plus, il faut remarquer que l'invention peut aussi s'appliquer à des capteurs ayant plus d'une bobine de couple, ainsi qu'à des capteurs ayant une seule ou plus de deux
bobines de vitesse.
La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, mais elle s'étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier. En particulier, les résistances 26, 27 ne doivent pas nécessairement être montées à l'intérieur du boîtier du capteur, mais pourraient se trouver ailleurs. L'emplacement des résistances sera choisi en fonction de l'emplacement le plus probable d'un court-circuit. S'il est vraisemblable qu'un court-circuit ne se produira que dans l'unité de mesure, il suffit de monter les résistances, par exemple, à l'entrée de l'unité de mesure ou dans le connecteur
raccordé à l'unité de mesure.
- 8 -

Claims (8)

Revendications
1. Capteur de vitesse et de couple, comportant un ensemble à aimant permanent, au moins une bobine de vitesse adjacente audit ensemble, et au moins une bobine de couple adjacente audit ensemble, ces bobines fournissant des signaux électriques de sortie en réponse au mouvement d'un élément magnétique rotatif en regard dudit ensemble, caractérisé en ce que la ou chaque bobine de vitesse (22, 23) est connectée en série avec une résistance respective (26, 27) comprise dans le capteur (10), et en ce que ladite résistance présente une résistance électrique valant au moins plusieurs fois celle de la bobine de vitesse correspondante, de sorte qu'un court-circuit à la sortie de cette bobine (22, 23) au-delà de ladite résistance (26, 27) n'augmente pas sensiblement le courant débité
par la bobine.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou chaque résistance (26, 27) présente une résistance électrique sensiblement égaie à cinquante fois la résistance de la bobine de vitesse correspondante (22, 23).
3. Capteur selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu!il comporte un boîtier extérieur (12) qui contient l'ensemble à aimant permanent
(14), les bobines (22, 23 et 24) et ladite ou lesdites résistances (26, 27).
4. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou chaque bobine de vitesse (22, 23) est bobinée avec la ou chaque bobine de couple
(24).
5. Capteur selon la revendication I ou 4, caractérisé en ce que la ou chaque bobine de vitesse (22, 23) est sensiblement identique à la ou
chaque bobine de couple (24).
6. Capteur selon la revendication I ou 4, caractérisé en ce que l'ensemble à aimant permanent (14) comporte un aimant permanent (15)
et une pièce polaire (16).
-9
7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les bobines de
vitesse et de couple (22, 23, 24) sont bobinées sur la pièce polaire (16).
8. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de température (35).
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