FR2739444A1 - Dispositif de mesure pour la detection sans contact d'un mouvement relatif - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de mesure pour la détection sans contact d'un mouvement relatif est constitué par un rotor (11) et par un stator (10). Dans le stator (10) est agencé un élément de Hall (16) dans un entrefer (14, 15) en forme de fente. Dans la paroi intérieure du rotor (11) sont agencés deux aimants annulaires (21, 22) qui présentent des polarités magnétiques opposées l'une à l'autre. Afin de pouvoir détecter, dans une courbe de mesure linéaire, un angle de rotation supérieur à +- 75 deg., le premier aimant annulaire (21) présente une région angulaire supérieure à 180 deg.. Lorsque le point zéro de l'induction magnétique B est en outre déplacé jusqu'au début de la plage linéaire du trajet de mesure mécanique, on peut détecter en particulier de petits angles de rotation avec une erreur de mesure relativement faible.
Description
Etat de la technique L'invention part d'un dispositif de mesure pour la
détection sans contact d'un mouvement relatif entre un stator et un rotor, dans lequel un entrefer principal se trouve entre le stator et le rotor et dans lequel est réalisé au moins un entrefer dans le stator, et au moins dans un entrefer est placé au moins un élément sensible au champ magnétique, et dans le rotor est agencé au moins un aimant annulaire à polarité magnétique dirigée en
direction radiale.
On connaît de la demande de brevet français 90 15 223 un tel dispositif de mesure, dans lequel un stator et un rotor sont déplacés l'un par rapport à l'autre. Un petit entrefer se trouve entre le stator et le rotor qui sont
constitués respectivement en un matériau magnétiquement conducteur.
Dans le rotor est agencé un premier aimant permanent annulaire sur une plage de 180 , qui est polarisé radialement. Dans la région restante du stator, qui s'étend également sur 180 , se trouve un second aimant permanent annulaire présentant une polarisation opposée. De plus, le stator présente deux entrefers diamétralement opposés l'un à l'autre. Dans au moins l'un de ces entrefers est agencé un détecteur de Hall. Lors du mouvement de rotation du rotor par rapport au stator, l'intensité du champ magnétique passant par le détecteur de Hall se modifie. Cette modification du champ magnétique émet un signal de mesure proportionnel à l'ampleur du mouvement de rotation. La plage de mesure linéaire de ce dispositif de mesure est cependant limitée à une valeur d'environ + 75 . De plus, dans une plage de mesure d'environ 150 , le rotor est agencé de telle sorte par rapport au stator que le point zéro de l'induction se trouve au milieu de la plage angulaire. Il en résulte que l'on obtient au milieu de la plage de mesure des signaux de mesure présentant l'erreur de mesure minimum, et qu'aux extrémités de la plage les signaux
de mesure sont affectés de l'erreur de mesure maximum.
Par rapport à l'art antérieur, le dispositif de mesure conforme à l'invention pour la détection sans contact d'un mouvement relatif, est caractérisé en ce qu'un aimant annulaire présente une région angulaire supérieure à . Ceci présente l'avantage par rapport à l'art antérieur qu'une plage de mesure linéaire de plus de + 90 est possible, c'est-à-dire une linéarité entre le mouvement relatif et le signal de mesure établi. La condition préalable pour la linéarité est bien entendu ici également que l'élément sensible au champ magnétique présente luimême une dépendance largement linéaire de son signal de mesure produit par rapport à l'induction magnétique B. En raison du décalage du point de départ de la région angulaire jusqu'au point zéro de l'induction magnétique B, il est possible d'atteindre une exactitude élevée dans la plage de faibles valeurs de mesure, c'est-à-dire dans l'environnement du point de départ de la mesure, donc du point zéro angulaire, parce qu'à ce point, seule la courbe de la température de "l'offset" du détecteur de Hall devient efficace, et on peut la maintenir très faible dans des détecteurs de Hall de conception moderne. Cette exactitude de mesure élevée dans cette région est nécessaire en particulier lors de l'application du dispositif de mesure dans des véhicules automobiles. Lorsque l'on utilise le dispositif de mesure par exemple pour régler la position du papillon ou pour contrôler la position d'une pédale d'accélérateur, de très faibles modifications angulaires peuvent provoquer une grande modification du débit du carburant qui s'écoule, alors que le papillon est pratiquement fermé ou bien qu'un
capteur associé à la pédale indique pratiquement une position de ralenti.
Contrairement à ceci, pour les applications dans le domaine des très grands angles de rotation, on peut tolérer des erreurs de mesure plus importantes. La fabrication des aimants annulaires utilisés ou de leurs segments individuels est considérablement simplifiée lorsque le matériau permanent est traité en liaison avec de la matière plastique. Grâce à ceci, on peut réaliser la géométrie des aimants annulaires par un procédé d'injection de matière plastique avec une exactitude élevée et de faibles coûts. En particulier, en comparaison avec les procédés de frittage nécessaires dans le cas d'aimants purement métalliques, on peut renoncer à un réusinage, c'est-à-dire par exemple au meulage. De plus, dans le procédé d'injection de matière plastique, l'aimant annulaire ou un segment individuel de celui-ci peut être directement projeté ou injecté sur la partie
en fer doux, tant pour le rotor que pour le stator.
Grâce aux mesures conformes à l'invention que l'on décrira ci-après, on peut effectuer des développements et améliorations avantageux du
dispositif de mesure conforme à l'invention.
Dessins Des exemples de réalisation de l'invention sont illustrés dans les dessins
et expliqués plus en détail dans la description qui suit.
La fig. 1 montre une coupe longitudinale à travers un premier exemple de
réalisation comportant deux aimants annulaires.
La fig. 2 montre un second exemple de réalisation du dispositif de mesure
comportant un seul aimant annulaire.
Les figs. 3 à 9 et 11 montrent d'autres exemples de réalisation, et
la fig. 10 illustre la courbe du signal de mesure.
Description des exemples de réalisation
A la fig. 1, la référence 10 désigne un stator qui est entouré par un rotor 11. Entre le stator 10 et le rotor 1 1 se trouve un entrefer 12 qui doit être le plus petit possible et qui s'élève dans la pratique à environ 0,5 mm. Le stator 10 et le rotor 11 sont constitués en un matériau magnétiquement conducteur à haute perméabilité et à faible hystérésis magnétique. Dans ce cas, il peut s'agir par exemple de fer doux. Le stator 10 présente en outre deux entrefers 14, 15 en forme de fentes et situés en opposition diamétrale, et au moins dans l'entrefer 15 se trouve au moins un élément de Hall 16 par l'intermédiaire duquel est déterminé le mouvement relatif du rotor 11 par rapport au stator 10. Au lieu de prévoir un élément de Hall, on peut également utiliser un quelconque autre composant sensible au champ magnétique, comme par exemple une plaque sensible au champ, un transistor magnétique, un élément magnétorésistif, etc. Ce qui importe ici c'est que le composant sensible au champ magnétique présente un signal de sortie qui dépende le plus linéairement possible de l'induction magnétique B. Le stator 10 peut bien entendu présenter également un seul entrefer 15. Le second entrefer 14 est nécessaire uniquement lorsque l'on doit effectuer une mesure redondante ou compensant une erreur de
mesure à l'aide d'un second composant sensible au champ magnétique.
Afim d'établir un signal de mesure à l'aide d'un élément de Hall 16, on a intégré dans la paroi intérieure du rotor 11 qui est orientée vers le stator , un premier aimant annulaire 21 et un second aimant annulaire 22. Le premier aimant annulaire 21 forme un segment angulaire d'environ 240 , tandis que le second aimant annulaire 22 forme un segment angulaire de , de sorte que les deux aimants annulaires 21, 22 forment un cercle fermé. Ce qui importe ici c'est que le premier aimant annulaire 21 présente une plage angulaire de plus de 180 , et que le second aimant annulaire 22 présente une plage angulaire qui complète la première plage pour former un angle de 360 . La polarisation magnétique des deux aimants annulaires 21, 22 est dirigée respectivement radialement et en sens opposé, ce qui signifie que par exemple pour le premier aimant annulaire 21, tel qu'illustré à la fig. 1, le pôle nord magnétique se trouve sur la paroi intérieure du rotor 11, tandis que pour le second aimant annulaire 22, le pôle magnétique sud se trouve sur la paroi intérieure du rotor 1. Pour les aimants annulaires 21, 22, on peut utiliser des aimants permanents disponibles dans le commerce. On peut également réaimanter
de façon correspondante les aimants annulaires avant de les monter.
Cependant, il est avantageux que l'aimant permanent ou le matériau magnétique soit lié dans une masse de matière plastique. Dans ce cas, on peut réaliser le matériau magnétique par le procédé d'injection. Grâce à ceci, il est possible d'effectuer une exactitude de mesure élevée et une réalisation économique des aimants annulaires 21, 22. De plus, dans le procédé d'injection de matière plastique, les aimants annulaires peuvent être injectés directement dans des évidements du rotor. On peut utiliser comme matériau magnétique par exemple du SmCo5, Sm2Col7, NdFeB,
AlNiCo ou des ferrites.
Grâce aux aimants annulaires 21, 22, on établit un flux magnétique 25 dans le rotor 11 et dans le stator 10. Les lignes de champ de ce flux magnétique 25 s'étendent dans ce cas depuis le pôle nord magnétique du premier aimant annulaire 21 à travers le rotor 1 1 jusqu'au pôle sud du second aimant annulaire 22, ou bien depuis le pôle nord du second aimant annulaire 22 via l'entrefer 12 jusqu'au pôle sud du premier aimant annulaire 21. Le chemin du flux magnétique 25 passe dans ce cas également par l'élément de Hall 16 agencé dans l'entrefer 15. Lorsque le rotor 11 se déplace par rapport au stator 10, le flux magnétique 25 traversant l'élément de Hall 16 augmente ou diminue, selon la direction de rotation. Cette modification de l'intensité du flux magnétique 25 est ici linéaire par rapport à l'angle de rotation du rotor 1 1 par rapport au stator , car en raison de la magnétisation radiale homogène des deux aimants annulaires 21, 22, il s'établit une augmentation de flux constante
(induction B) ou bien une réduction de flux constante par unité angulaire.
De façon connue, l'induction magnétique B établit dans l'élément de Hall 16 un signal de sortie électrique qui dépend linéairement de l'angle de rotation. Bien entendu, dans la réalisation selon la fig. 1, il serait en principe également possible d'échanger mutuellement la réalisation du rotor et du stator. Dans la réalisation selon la fig. 2, le rotor 11 a est agencé dans l'intérieur du stator 10a. Le stator 10a est ici réalisé sous forme d'un anneau et il présente à son tour les deux entrefers 14, 15. Le rotor 1 la est relié à un arbre 40 dont le mouvement de rotation doit être déterminé, et il pénètre dans l'intérieur du stator 1 Oa, et entre le rotor l a et le stator 1 Oa se trouve à nouveau le petit entrefer 12. A la différence de l'exemple de réalisation selon la fig. 1, on a prévu seulement le premier aimant annulaire 21. Sa réalisation correspond à celle de la fig. 1. Le second aimant annulaire 22 dans l'exemple de réalisation selon la fig. 1 n'existe pas ici. Par contre, la région entre les extrémités de l'aimant annulaire 21
est remplie avec un matériau magnétiquement conducteur du rotor l a.
Dans l'exemple de réalisation selon la fig. 2, l'aimant annulaire 21 est ainsi mis en place dans un évidement 41 de la paroi extérieure du stator la. Le mode de fonctionnement correspond à celui du dispositif de mesure selon la fig. 1. Lors du mouvement de rotation du rotor par rapport au stator, l'induction magnétique B est modifiée dans la région de l'élément de Hall 16, et ainsi est produit un signal de mesure. Le flux magnétique 25 s'étend dans ce cas depuis le pôle nord de l'aimant annulaire 21 via l'entrefer 12 à travers le stator 0la, et en retour via
l'entrefer 12 et le rotor 1 la jusqu'au pôle sud de l'aimant annulaire 21.
Les figs. 3 à 8 illustrent d'autres modifications des exemples de réalisation. L'essentiel dans ces réalisations est qu'aucun des entrefers entre les segments du stator ne dépasse, pendant le mouvement de rotation du rotor à l'intérieur de la plage de mesure, un emplacement de discontinuité de l'aimant du rotor, c'est-à-dire un emplacement de transition d'un aimant à l'autre présentant une polarité opposée ou d'un
aimant jusqu'à la région du matériau magnétiquement conducteur du rotor.
Grâce à cette réalisation, l'allure linéaire de la courbe de mesure peut être améliorée sur toute la plage de mesure, et elle présente surtout dans la région de 90 à 110 une allure encore approximativement linéaire. La fig. 3 illustre une réalisation d'un stator 1 Oc subdivisé en trois segments 51, 52, 53. Chacun des trois segments 51, 52, 53 présente une plage angulaire d'environ 120 , et entre les segments individuels 51, 52, 53 se trouve respectivement un entrefer 54, 55, 56. Le rotor 1l c correspond à celui de la fig. 1. Lorsque le stator 1 Oc et le rotor 1 1 c se trouvent en position de départ, l'entrefer 55 dans laquelle est agencé le détecteur de Hall 16, au milieu de l'aimant annulaire 21 présentant approximativement 240 . Les deux autres entrefers 54, 46 sont réalisés, en raison de l'écart de par rapport à l'entrefer 55, dans la région de transition de l'aimant annulaire 21 vers l'aimant annulaire 22. Dans ce cas, ni l'entrefer 54 ni l'entrefer 56 ne dépasse aucun emplacement de discontinuité, c'est-à-dire aucun emplacement de transition d'un aimant annulaire à l'autre aimant annulaire, lors d'un mouvement de rotation de 120 dans le sens des
aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, donc lors de la mesure.
Tandis que dans la fig. 3, le rotor 1 1 c entoure le stator 1 Oc, on a échangé dans la fig. 4 le rotor et le stator, ce qui signifie que dans la fig. 4, le
stator 1 Od entoure le rotor 11 d.
Dans la réalisation selon la fig. 5, le second aimant annulaire 22 est remplacé par une région en matériau magnétiquement conducteur. La réalisation du stator 10e, en particulier des segments et des entrefers correspond à celle de la fig. 3. De manière analogue, comme dans le cas de la fig. 3 par rapport à la fig. 4, la fig. 6 est modifiée par rapport à la fig. 5. Dans la fig. 6, le stator 10Of entoure le rotor 1If, le reste de la
réalisation étant égal à celui de la fig. 5.
Lorsque l'on peut opérer avec un seul élément de Hall, on peut également réaliser dans le stator un seul entrefer. Grâce à ceci, on peut éviter en principe toutes les falsifications des courbes de mesure, qui apparaissent à cause des entrefers. Le point de départ de la mesure peut en outre être choisi dans la région de la plage angulaire de l'aimant annulaire 21, qui s'étend sur 270 , et pour une courbe de température faible du détecteur de Hall, le point zéro de la région angulaire coïncide avantageusement avec
le point zéro de l'induction magnétique, comme le montre la fig. 10.
Dans la fig. 8, le stator 10Og entoure le rotor 1 l g. De plus, le stator 10g présente deux entrefers 61, 62, l'écart entre les entrefers 61, 62 s'élevant à 120 . Dans la position de départ, le premier entrefer 61 est prévu au milieu de l'aimant annulaire 21, tandis que le second entrefer 62 se trouve dans la région de transition entre les deux aimants 21, 22. Dans la fig. 8 par exemple, on a agencé dans les deux entrefers 61, 62 un élément de Hall 16, afin de pouvoir effectuer la mesure redondante ou la mesure de compensation des erreurs de mesure, que l'on vient de citer. Dans ce cas, l'induction B dans l'élément de Hall 16 dans l'entrefer 61 augmente en continu, tandis que l'induction B diminue simultanément en continu dans l'élément de Hall 16 dans l'entrefer 62. Les valeurs mesurées sont alors
évaluées dans un circuit électrique connu non illustré ici.
De plus, dans les exemples de réalisation selon les figs. 1, 3, 4, 7, 8, on peut remplacer l'aimant annulaire 22 ou l'aimant annulaire 21 par de l'air, de sorte qu'il en résulte un entrefer 65 élargi dans cette région, comme le
montre la fig. 9.
La fig. 10 illustre la courbe de la modification de l'induction B sur l'angle de rotation a dans un dispositif de mesure décrit sous le titre "état de la technique" (courbe a). Dans ce cas, la plage linéaire de la courbe caractéristique s'élève à + 75 . Ainsi, la région de l'exactitude de mesure maximum, à savoir lorsque B = 0, se trouve au milieu de la plage de mesure. Par contre, dans un agencement selon l'invention, il en résulte une plage linéaire de la courbe caractéristique supérieure à 90 (à titre d'exemple courbe b à la fig. 10 avec environ + 110 ). Grâce à ceci, conformément à l'invention, il en résulte la possibilité de mettre, pour une plage de mesure linéaire désirée de 1000, la plage d'exactitude maximum, à savoir avec B= 0, au point zéro des angles, et d'atteindre ainsi l'exactitude élevée
désirée au point zéro des angles.
Au lieu du stator et du rotor agencés en superposition et illustrés dans les exemples de réalisation selon les figs. 1 à 9, on pourrait réaliser le stator
et le rotor également sous forme de disques agencés l'un à côté de l'autre.
Dans l'illustration schématique de la fig. I 1, on a fixé un rotor 1 lb en forme de disque sur un arbre 40b. Sur la face frontale du rotor l lb sont agencés les deux aimants annulaires, et en raison de la coupe à la fig. 1 l, elle ne montre que l'aimant annulaire 21 b. Le rotor 1 lb se trouve en vis-à-vis du stator 10b, avec interposition d'un entrefer 12b. On a prévu des entrefers 14b et 15b dans le stator 0lb, et dans l'entrefer 15b est agencé un élément de Hall 16b pour émettre un signal. Cet exemple de réalisation correspond à la réalisation selon la fig. 1. De façon correspondante, on pourrait également modifier les exemples de
réalisation selon les figs. 2 à 9.
Claims (13)
1. Dispositif de mesure pour la détection sans contact d'un mouvement relatif entre un stator (10) et un rotor (1 1), dans lequel un entrefer principal (12) se trouve entre le stator (10) et le rotor (l 1) et dans lequel est réalisé au moins un entrefer (14, 15, 54, 55, 56) dans le stator (10), et au moins dans un entrefer (14, 15, 54. 55, 56) est placé au moins un élément (16) sensible au champ magnétique, et dans le rotor (11) est agencé au moins un aimant annulaire (21, 22) à polarité magnétique dirigée en direction radiale, caractérisé en ce qu'un aimant annulaire (21)
présente une plage angulaire supérieure à 180 .
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région angulaire restante qui en résulte entre les extrémités de l'aimant
annulaire (21) est constituée en un matériau magnétiquement conducteur.
3. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région angulaire restante qui en résulte entre les extrémités de l'aimant annulaire (21) présente un second aimant annulaire (22) présentant une
polarisation magnétique opposée à celle du premier aimant annulaire (21).
4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que le stator (10) est constitué par plusieurs segments (51, 52, 53) séparés par des entrefers (54, 55, 56), et en ce qu'aucun des entrefers (14, 15) ne dépasse un emplacement de discontinuité dans la plage de mesure, qui se trouve à l'extrémité des aimants annulaires
(21, 22).
5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que le stator (10) présente trois entrefers (54, 55, 56) qui
sont réalisés à une distance de 120 dans le stator (10).
6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications I à 4,
caractérisé en ce que le stator (10) présente deux entrefers (61, 62) qui
présentent une distance de 120 .
7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 3 à 3,
caractérisé en ce que le stator (10) présente un entrefer (61), et en ce que cet entrefer (61) se trouve, en position de départ du dispositif de mesure, au milieu de la région angulaire de l'aimant annulaire (2 1).
8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 3 à 7,
caractérisé en ce que le rotor (1 1) entoure le stator (10).
9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que le stator ( 1 0) entoure le rotor ( I).
10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que le stator (l0) et le rotor (11) sont réalisés en forme
de disque.
1il. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1
à 10, caractérisé en ce que le stator (10) et le rotor (3 1) sont constitués en
un matériau magnétiquement conducteur.
12. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1
à 11, caractérisé en ce que le point zéro de la plage de mesure mécanique co'mcide au moins approximativement avec le point zéro de l'induction magnétique B.
13. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à
12, caractérisé en ce que l'élément sensible au champ magnétique est un
élément de Hall (16).
14. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région angulaire restante qui en résulte entre l'extrémité de l'aimant
annulaire (21) est remplie d'air.
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