FR2781281A1 - Capteur d'angle de rotation - Google Patents
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Abstract
Le capteur d'angle de rotation comprend un aimant permanent (2) qui a, par exemple, la forme d'un parallélépipède rectangle, d'un disque ou d'un segment de couronne circulaire. L'aimant permanent (2) est fixé sur un premier élément conducteur de flux magnétique (4) et peut pivoter autour d'un axe de rotation (la) par rapport à un deuxième élément conducteur de flux magnétique (6) disposé à une certaine distance du premier, cette distance étant désignée comme entrefer primaire (8). Vu dans le sens de l'axe de rotation (la), le premier tout comme le deuxième élément conducteur de flux magnétique (4, 6) couvrent au moins un segment de couronne circulaire. Le deuxième élément conducteur de flux magnétique (6) présente en outre un entrefer secondaire radial (9) dans lequel est disposé un capteur de champ magnétique (11).
Description
i
CAPTEUR D'ANGLE DE ROTATION
Description
L'invention concerne un capteur d'angle de rotation à aimant
permanent et capteur de champ magnétique.
Un tel capteur d'angle de rotation est connu du document EP 0 665 416 Ai. Ce capteur d'angle de rotation présente un élément de rotor cylindrique relié à un axe de rotation, un aimant permanent annulaire étant fixé sur la paroi intérieure du cylindre de l'élément de rotor. En outre, on prévoit un élément de stator circulaire composé de deux moitiés de cylindre, qui est disposé à l'intérieur de l'aimant permanent annulaire et qui est séparé de celui-ci par un entrefer primaire annulaire. Entre les deux moitiés de cylindre de l'élément de stator se trouve un entrefer secondaire, dans lequel est disposée une sonde à effet Hall. Selon la position de rotation de l'aimant permanent par rapport au stator, le flux magnétique traversant la sonde à effet Hall varie, et ainsi le signal électrique qu'elle génère varie également, lequel correspond à un certain angle de rotation. Un autre capteur d'angle de rotation est connu du document US 5,528,139, dans lequel l'angle de rotation est déterminé
également au moyen d'un aimant torique tournant par rapport à.
une sonde à effet Hall.
En outre, on connaît du document US 5,532,585 un capteur linéaire dans lequel le mouvement longitudinal d'un barreau aimanté se déplaçant dans un entrefer primaire est mesuré au moyen d'une sonde à effet Hall qui est disposée dans un entrefer
secondaire perpendiculaire à l'entrefer primaire.
Les capteurs décrits ci-dessus peuvent par exemple être utilisés dans le domaine automobile pour mesurer la position du papillon des gaz ou celle de l'accélérateur. Dans ce cas, il est souhaitable que le signal électrique généré par la sonde à effet Hall varie autant que possible linéairement avec la rotation ou le déplacement. Il peut être suffisant dans certaines applications - que le capteur travaille linéairement seulement
dans une plage de mesure limitée, par exemple de 0 à 60 .
La tâche de l'invention consiste à créer un capteur d'angle de rotation qui est agencé simplement, qui travaille linéairement le mieux possible dans une plage d'angle de rotation donnée et
qui peut être fabriqué à un coût avantageux.
Pour cela, l'invention est basée sur l'idée d'utiliser pour la détermination de l'angle de rotation un aimant permanent dont la longueur, perpendiculairement à la direction nord-sud et perpendiculairement à l'axe de rotation du capteur d'angle de rotation, est inférieure à la longueur d'un entrefer primaire mesurée dans le sens de la circonférence. Un tel aimant permanent a par exemple la forme d'un parallélépipède rectangle,
d'un disque ou d'un segment de couronne circulaire.
L'invention prévoit ainsi un capteur d'angle de rotation avec un aimant permanent qui est fixé sur un premier élément conducteur de flux magnétique qui, par rapport à un axe de rotation du capteur d'angle de rotation, couvre au moins un segment de couronne circulaire, la direction nord-sud de l'aimant permanent étant orientée perpendiculairement à l'axe de rotation, avec un deuxième élément conducteur de flux magnétique qui couvre également au moins un segment de couronne circulaire et qui peut pivoter autour de l'axe de rotation par rapport au premier élément conducteur de flux magnétique, avec un entrefer primaire se trouvant entre les deux éléments conducteurs de flux magnétique, le deuxième élément conducteur de flux magnétique présentant un entrefer secondaire radial dans lequel est disposé un capteur de champ magnétique; la longueur de l'aimant permanent, perpendiculairement à l'axe de rotation et perpendiculairement à la direction nord-sud, est inférieure à la longueur de l'entrefer primaire dans le sens de la circonférence. L'entrefer primaire est formé entre le premier élément conducteur de flux magnétique, sur lequel est fixé l'aimant permanent, et le deuxième élément conducteur de flux magnétique disposé à une certaine distance du premier. L'aimant permanent est disposé de sorte qu'il peut pivoter par rapport au deuxième élément conducteur de flux magnétique et il est aimanté de telle sorte que la direction nord-sud est perpendiculaire à l'axe de rotation. Considérés autour de l'axe de rotation, le premier ainsi que le deuxième élément conducteur de flux magnétique couvrent au moins un segment de couronne circulaire. Le deuxième élément conducteur de flux magnétique présente en outre l'entrefer secondaire radial dans lequel est disposé un capteur de champ magnétique, comme par exemple une sonde à effet Hall qui mesure l'intensité du flux magnétique généré par l'aimant permanent et génère un signal électrique correspondant à la position de rotation de l'aimant. Les deux éléments conducteurs de flux magnétique peuvent être en matériau ferromagnétique, de
sorte que le champ magnétique est intensifié ou mis en faisceau.
Selon un mode de réalisation avantageux, le premier élément conducteur de flux magnétique est en forme de cylindre et le deuxième élément conducteur de flux magnétique est en forme de cylindre creux et disposé de telle sorte qu'il entoure à la façon d'une douille le premier élément conducteur de flux magnétique, l'aimant permanent présentant au moins une surface de base qui est plane et parallèle à l'axe de rotation et par laquelle l'aimant permanent est relié de façon fixe au premier
élément conducteur de flux magnétique.
Selon un perfectionnement de l'invention, l'un des deux éléments conducteurs de flux magnétique a la forme d'un cylindre circulaire fendu en deux parties et l'autre est conçu comme un cylindre creux entourant le cylindre circulaire, le cylindre creux présentant au moins un entrefer radial qui forme
l'entrefer secondaire.
Pour ce qui est de la conception ou de la disposition de l'aimant permanent, il existe plusieurs possibilités. Par exemple, l'un des deux éléments conducteurs de flux magnétique tel que le premier élément conducteur de flux magnétique peut présenter une fente parallèle à l'axe de rotation, dans laquelle est inséré l'aimant permanent. L'aimant permanent ou la fente peuvent être placés de façon centrée sur l'un des éléments conducteurs de flux magnétique, c'est-à-dire coupant l'axe de rotation, ou être disposés de façon excentrée par rapport à
l'axe de rotation ou même tout à fait à l'extérieur, c'est-à-
dire décalés à proximité de l'entrefer primaire. Si l'aimant permanent est fixé à l'extérieur sur l'un des éléments conducteurs de flux magnétique, il peut par exemple avoir une section transversale en forme de couronne circulaire. Mais la forme d'un parallélépipède rectangle ou d'un disque est
également possible comme alternative.
Ci-après, l'invention est expliquée plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation en rapport avec le dessin. On distingue: Figure 1 un capteur d'angle de rotation dans lequel l'aimant permanent coupe l'axe de rotation; Figures la et lb le capteur d'angle de rotation selon la figure 1, dans différentes positions de rotation; Figure 2 un capteur d'angle de rotation dans lequel l'aimant permanent est disposé de façon excentrée; Figure 3 un capteur d'angle de rotation dans lequel l'aimant permanent est disposé dans la zone extérieure de l'un des éléments conducteurs de flux magnétique; Figure 4 un capteur d'angle de rotation dans lequel l'aimant permanent dépasse directement dans l'entrefer primaire; et Figure 5 un capteur d'angle de rotation dans lequel les éléments conducteurs de flux magnétique ainsi que l'aimant permanent sont conçus en forme de segments
de couronne circulaire.
La figure 1 montre une coupe transversale d'un capteur d'angle de rotation 1 avec un axe de rotation la perpendiculaire au plan projectif. Le capteur d'angle de rotation 1 comprend un aimant permanent 2, qui est représenté ici sous forme d'un parallélépipède rectangle et qui est disposé dans une découpure 3 en forme de fente d'un premier élément cylindrique conducteur de flux magnétique 4. Le champ magnétique généré par l'aimant permanent 2 est indiqué par des lignes de force du champ magnétique 5 en pointillés, l'aimantation étant telle que la direction nord-sud et donc les lignes de force du champ magnétique 5 présentent une allure perpendiculaire à l'axe de rotation la et perpendiculaire à la surface de l'aimant permanent 2. La direction nord-sud est représentée par une
double flèche 5a.
Le premier élément cylindrique conducteur de flux magnétique 4 est entouré d'un deuxième élément conducteur de flux magnétique
6 en forme de douille, qui est ici constitué de deux demi-
cylindres creux 7a et 7b. Les demi-cylindres 7a et 7b ont un diamètre intérieur D1 supérieur au diamètre extérieur D2 du premier élément conducteur de flux magnétique 4, ce qui engendre entre les deux éléments conducteurs de flux magnétique 4 et 6 un entrefer primaire annulaire 8. Les deux demi-cylindres 7a et 7b sont en outre séparés l'un de l'autre par une distance Si, ce qui engendre deux entrefers secondaires opposés 9 et 10. Dans l'entrefer secondaire 9 est disposé un capteur de champ
magnétique, comme par exemple une sonde à effet Hall 11.
Dans le cas du capteur d'angle de rotation présenté, il est caractéristique que la longueur Ll de l'aimant permanent ?, mesurée dans une direction qui est perpendiculaire à la direction nord-sud 5a et en même temps perpendiculaire à l'axe de rotation la, est inférieure à la longueur de l'entrefer
primaire annulaire 8 mesurée dans le sens de la circonférence.
Ainsi, dans le cas d'un aimant permanent 2 en forme de parallélépipède rectangle, L1 est une longueur d'arête du parallélépipède, tandis que dans le cas d'un aimant permanent 2
en forme de disque, Ll est égale au diamètre du disque.
L'épaisseur L2 de l'aimant permanent 2 dans la direction nord-
sud 5a est ici inférieure à la longueur L1.
Dans la position de rotation montrée de l'aimant permanent 2, la direction nord-sud 5a est parallèle aux entrefers secondaires 9 et 10 et le champ magnétique résultant sur la sonde à effet Hall 11 est nul pour des raisons de symétrie. La rotation de l'aimant permanent 2 entraîne une augmentation de l'intensité de champ magnétique résultant (cf. fig. la) sur la sonde à effet Hall 11, le flux magnétique atteignant son maximum quand la rotation est de 900 (cf. fig. lb). La sonde à effet Hall 11 mesure la valeur du flux magnétique et génère un signal électrique correspondant à cette dernière ou à la position de rotation de l'aimant permanent 2, ce signal pouvant être prélevé sur une ligne de
mesure 12.
Pour mesurer une plage d'angle de rotation donnée de 60 , par exemple, le capteur d'angle de rotation peut être installé de telle sorte que l'aimant permanent 2, aux limites de plage de mesure 0 et 60 , est tourné de +30 et -30 par rapport à la position montrée (cf. fig. 1, la). Une telle "orientation symétrique de la plage de mesure" par rapport à la position de rotation montrée offre l'avantage que le signal électrique généré par la sonde à effet Hall 11 est approximativement proportionnel à l'angle de rotation de l'aimant permanent 2, c'est-à-dire que le capteur d'angle de rotation présente une courbe caractéristique approximativement linéaire. Pour les applications qui nécessitent une plus grande plage de mesure, par exemple de + 80 , soit au total 160 , il est possible d'utiliser un montage électrique qui linéarise le signal généré
par la sonde à effet Hall 11.
Les deux éléments conducteurs de flux magnétique 4 et 6 peuvent par exemple être fabriqués dans un matériau ferromagnétique nickel-fer. Pour les matériaux de l'aimant permanent, on peut par exemple utiliser aussi bien des ferrites, comme par exemple un aimant ferrite/baryum au coût avantageux, que des aimants à terres rares, que l'on trouve dans le commerce sous forme flexible combinée à une matière synthétique. Comme alternative à l'exemple de réalisation présenté, il est possible de prévoir une sonde à effet Hall également dans l'entrefer secondaire 10, ce qui permet une détermination redondante de l'angle de
rotation.
La figure 2 montre un autre exemple de réalisation du capteur d'angle de rotation, dans lequel l'aimant permanent 2 est
disposé de façon excentrée par rapport à l'axe de rotation la.
L'élément conducteur de flux magnétique 4 est ici divisé par la découpure 3 en forme de fente en deux tronçons de cylindre de tailles différentes, qui peuvent être désignés par "lentilles magnétiques" 13 et 14. La disposition excentrée de l'aimant permanent 2 et les tailles différentes des lentilles magnétiques 13 et 14 entraînent, par rapport à l'exemple de réalisation de la figure 1, une autre courbure des lignes de champ (non représentées), ce qui peut être intéressant pour certaines applications. La figure 3 illustre un autre exemple de réalisation, dans lequel l'aimant permanent 2 est disposé sur le bord extérieur de l'élément conducteur de flux magnétique 4, la lentille magnétique 13 étant relativement petite. Comme alternative, il
est possible aussi de ne pas prévoir de lentille magnétique 13.
La figure 4 illustre un exemple de réalisation dans lequel l'aimant permanent 2 est disposé directement au bord de l'élément conducteur de flux magnétique 4 et dépasse donc dans l'entrefer primaire 8. Dans l'exemple de réalisation montré ici, l'aimant permanent 2 présente, de façon analogue aux exemples de réalisation des figures 1 à 3, des faces latérales 15 et 16 planes et une surface de base 17 plane. Cependant, à la différence des exemples de réalisation 1 à 3, une face 18 opposée à la surface de base 17 est de forme convexe, à savoir avec un rayon de courbure qui est ici égal au demi-diamètre D2/2
du premier élément conducteur de flux magnétique 4.
Comme alternative, il est également possible de prévoir ici un
aimant permanent 2 en forme de parallélépipède rectangle, c'est-
à-dire avec une face 18 plane. La face 18 de l'aimant permanent 2 orientée vers l'entrefer primaire 8 peut alors être avantageusement reliée à un élément conducteur de flux
magnétique 13 de forme convexe.
Comme alternative aux exemples de réalisation présentés dans les figures 1 à 4, il est également possible de prévoir un "montage de mesure inversé", dans lequel la sonde à effet Hall est placée sur le premier élément conducteur de flux magnétique 4 et l'aimant permanent 2 sur l'un des deux demi-cylindres 7a et 7b
du deuxième élément conducteur de flux magnétique.
La figure 5 montre un exemple de réalisation dans lequel l'aimant permanent 2 et le premier élément conducteur de flux
magnétique 4 ont la forme d'un segment de couronne circulaire.
Le deuxième élément conducteur de flux magnétique 6 a ici également la forme d'une couronne circulaire et est disposé à une distance radiale S2 de l'aimant permanent 2, ce qui engendre l'entrefer primaire 8. L'entrefer secondaire 9, dans lequel est
disposée la sonde à effet Hall 11, a ici une largeur S3.
L'aimant permanent 2 occupe un angle a et est disposé dans une découpure 19 du premier élément conducteur de flux magnétique 4, laquelle découpure 19 occupe un angle Z légèrement supérieur à a. La longueur Ll de l'aimant permanent 2 présentée sur la figure 1 est donc ici une longueur d'arc. L'épaisseur radiale D de l'aimant permanent 2 est petite par rapport à sa longueur d'arc. L'aimant permanent 2 est à aimantation radiale, c'est-à-dire que les lignes de champ (non représentées) entrent et sortent en direction radiale. Par conséquent, de façon analogue aux figures 1 à 4, le champ magnétique sur la sonde à effet Hall 11 est nul
dans la position montrée.
Le premier élément conducteur de flux magnétique 4 occupe un angle 6 qui est par exemple deux fois plus grand que l'angle a, ce qui donne une plage utile d'angle de rotation de 0,5 a,
c'est-à-dire au total a. L'angle a peut par exemple être de 70 .
La conception en segment des différents composants permet un type de construction encore plus compact. Comme alternative à l'exemple de réalisation présenté, l'aimant permanent 2 peut également avoir ici une autre forme, par exemple celle d'un parallélépipède rectangle (figures 1 et 2) ou la forme d'un disque. En outre, il est possible de prévoir, comme dans l'exemple de réalisation de la figure 3, une lentille magnétique 13 sur le côté de l'aimant permanent 2 orienté vers l'entrefer
p imaire 8.
Claims (11)
1. Capteur d'angle de rotation avec un aimant permanent (2) qui est fixé sur un premier élément conducteur de flux magnétique (4) qui, par rapport à un axe de rotation (la) du capteur d'angle de rotation, couvre au moins un segment de couronne circulaire, la direction nord-sud (5a) de l'aimant permanent (2) étant orientée perpendiculairement à l'axe de rotation (la), avec un deuxième élément conducteur de flux magnétique (6) qui couvre également au moins un segment de couronne circulaire et qui peut pivoter autour de l'axe de rotation (la) par rapport au premier élément conducteur de flux magnétique (4), avec un entrefer primaire (8) se trouvant entre les deux éléments conducteurs de flux magnétique (4, 6), le deuxième élément conducteur de flux magnétique (6) présentant un entrefer secondaire (9) radial dans lequel est disposé un capteur de champ magnétique (11), caractérisé en ce que la longueur (Ll) de l'aimant permanent (2), perpendiculairement à l'axe de rotation (la) et perpendiculairement à la direction nord-sud (5a), est inférieure à la longueur de l'entrefer primaire (8) dans le
sens de la circonférence.
2. Capteur d'angle de rotation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément conducteur de flux magnétique (4) est en forme de cylindre et le deuxième élément conducteur de flux magnétique (6) est en forme de cylindre creux et disposé de telle sorte qu'il entoure à la façon d'une douille le premier élément conducteur de flux magnétique (4), l'aimant permanent (2) présentant au moins une surface de base (17) qui est plane et parallèle à l'axe de rotation (la) et par laquelle l'aimant permanent (2) est relié de façon fixe au
premier élément conducteur de flux magnétique (4).
3. Capteur d'angle de rotation selon l'une des revendications 1
à 2, caractérisé en ce que le premier élément conducteur de flux magnétique (4) présente une fente (3) parallèle à l'axe de rotation (la),
dans laquelle est disposé l'aimant permanent (2).
4. Capteur d'angle de rotation selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
l'aimant permanent (2) est disposé de façon centrée par
rapport à l'axe de rotation (la) et coupe cet axe.
5. Capteur d'angle de rotation selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
l'aimant permanent (2) est disposé de façon excentrée par
rapport à l'axe de rotation (la).
6. Capteur d'angle de rotation selon l'une quelconque des
revendications 1, 2 ou 5, caractérisé en ce que
l'aimant permanent (2) est disposé à l'extérieur sur le premier élément conducteur de flux magnétique (4) et se
trouve décalé à proximité de l'entrefer primaire (8).
7. Capteur d'angle de rotation selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce que
l'aimant permanent (2) a la forme d'un parallélépipède
rectangle.
8. Capteur d'angle de rotation selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce que
l'aimant permanent (2) a la forme d'un disque.
9. Capteur d'angle de rotation selon la revendication 6, caractérisé en ce que une face (18) de l'aimant permanent (2) orientée vers l'entrefer primaire (8) est reliée à un élément conducteur
de flux magnétique (13) de forme convexe.
10. Capteur d'angle de rotation selon l'une quelconque des
revendications] à 9, caractérisé en ce que
l'un des deux éléments conducteurs de flux magnétique (4, 6) est constitué de deux demi-cylindres creux (7a, 7b), deux entrefers secondaires (9, 10) opposés l'un par rapport à
l'autre étant prévus.
11. Capteur d'angle de rotation selon la revendication 10, caractérisé en ce que dans chacun des deux entrefers secondaires (9, 10) est
disposé un capteur de champ magnétique (11).
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