FR3048079B1

FR3048079B1 - Capteur d'angle de rotation

Info

Publication number: FR3048079B1
Application number: FR1751281A
Authority: FR
Inventors: Andreas Merz; Fabian Utermoehlen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2019-09-13
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: FR3048079A1; WO2017144144A1; EP3420315A1; KR20180115705A; DE102016202867B3; JP2019506611A; US20190025088A1; CN109073416B; JP6605748B2; CN109073416A; US10907992B2

Abstract

Capteur (10) comportant : un stator avec une bobine émettrice et une bobine réceptrice ; un rotor (14) ayant une bobine réceptrice (28) ainsi qu'une bobine émettrice (30) reliées, * la bobine réceptrice (28) étant couplée par induction à la bobine émettrice de stator pour induire un courant passant dans sa bobine émettrice (30) pour induire un courant dans la bobine réceptrice de stator selon l'angle de rotation. La bobine réceptrice de stator a deux parties en forme de secteur d'anneau de cercle qui divisent le stator et la bobine émettrice de rotor (30) comporte des parties de bobine (34a, 34b) en forme de faucille.

Description

Domaine de l’invention

La présente invention se rapporte à un capteur d’angle de rotation pour déterminer, par exemple l’angle de rotation entre un arbre et un autre composant.

En d’autres termes, l’invention se rapporte à un capteur d’angle de rotation comportant un élément de stator avec une bobine émettrice de stator et au moins une bobine réceptrice de stator ; un élément de rotor monté à rotation par rapport à l’élément de stator autour d’un axe de rotation et ayant une bobine réceptrice de rotor ainsi qu’une bobine émettrice de rotor reliées électriquement, la bobine réceptrice de rotor étant couplée par induction à la bobine émettrice de stator de façon que le champ électromagnétique généré par la bobine émettrice de stator induise un courant dans la bobine réceptrice de rotor passant dans la bobine émettrice de rotor de façon que cette bobine génère un autre champ électromagnétique ; la bobine réceptrice de stator étant couplée par induction à la bobine émettrice de rotor de façon que le couplage inductif dépende de l’angle de rotation entre l’élément de stator et l’élément de rotor et que le champ électromagnétique généré par la bobine émettrice de rotor induise dans au moins une bobine réceptrice de stator au moins une tension alternative dépendant de l’angle. Etat de la technique

Pour mesurer un angle de rotation on utilise, par exemple, de façon connue, des capteurs d’angle de rotation avec un aimant tournant au-dessus d’un capteur de champ magnétique. La mesure du vecteur de champ magnétique permet de déterminer l’angle de rotation. Or, de tels capteurs réagissent également aux champs magnétiques externes générés, par exemple, par un courant passant dans un câble électrique voisin et ainsi ils peuvent ainsi être très sensibles aux perturbations.

Un autre type de capteur d’angle de rotation utilise l’effet des courants de Foucault. Pour cela, on déplace une cible métallique sur les bobines de capteur alimentées avec une tension alternative pour induire des courants de Foucault dans la cible, ce qui réduit l’inductance des bobines de capteur et permet de déterminer l’angle de rotation en utilisant la variation de fréquence. Les bobines font, par exemple, partie d’un circuit oscillant dont la fréquence de résonance se décale lorsque l’inductance varie. Ce type de capteur d’angle de rotation a, toutefois, une sensibilité transversale élevée vis-à-vis des tolérances de montage (avant tout vis-à-vis du basculement de la cible). La fréquence générée peut également être perturbée par des champs électromagnétiques externes (verrouillage d’injection) car habituellement ils utilisent des fréquences de l’ordre de quelques dizaines de MHz.

Le document EP 0 909 955 B1 décrit un capteur d’angle de rotation avec une cible munie de boucles conductrices planes, court -circuitées, coopérant avec le champ électromagnétique alternatif d’une bobine d’excitation.

But de l’invention

La présente invention a pour but de développer un capteur d’angle de rotation qui soit robuste, économique, peu encombrant. Exposé et avantages de l’invention A cet effet, l’invention a pour objet un capteur d’angle de rotation du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la bobine réceptrice de stator a au moins deux parties de bobine en forme de secteur d’anneau de cercle qui divisent l’élément de stator en secteurs dans la direction périphérique et la bobine émettrice de rotor comporte des parties de bobine en forme de faucille dont le nombre correspond au nombre de parties de bobines en forme de secteur d’anneau de cercle et qui entourent l’axe de rotation successivement les unes à la suite des autres dans la direction périphérique.

En d’autres termes, l’invention a pour objet un capteur d’angle de rotation installé notamment dans un environnement chargé de champs électromagnétiques parasites, puissants. Par exemple, le capteur d’angle de rotation est installé dans l’enceinte d’un moteur ou à proximité d’un moteur de véhicule, par exemple pour déterminer la position du volet d’étranglement, la position du rotor d’un moteur BLDC, la position de la pédale d’accélérateur ou celle d’un arbre à came. Le capteur d’angle selon l’invention est économique, peu encombrant et utilise un principe de mesure simple.

En d’autres termes, comme déjà indiqué, la bobine émettrice de stator reçoit une tension alternative qui induit, par couplage inductif de la bobine émettrice de stator à la bobine réceptrice de rotor, une autre tension alternative dans la bobine réceptrice de rotor. La tension alternative générée dans la bobine réceptrice de rotor forme un courant dans cette bobine passant par couplage inductif de la bobine émettrice de rotor dans une ou plusieurs bobines réceptrices de stator dans lesquelles il génère une nouvelle tension alternative que l’on peut mesurer. A partir des valeurs mesurées, on détermine l’angle de rotation relatif entre l’élément de stator et l’élément de rotor.

Au moins une bobine réceptrice de stator comporte au moins deux (par exemple aussi un nombre pair) de parties de bobine en forme de secteur d’anneau de cercle qui divisent l’élément de stator en des secteurs et la bobine émettrice de rotor a un nombre égal (c’est-à-dire le même nombre que celui des parties de bobine en forme de secteur d’anneau de cercle) de parties de bobine en forme de faucille qui se suivent dans la direction périphérique autour de l’axe de rotation. La partie d’enroulement en forme de secteur d’anneau de cercle peut être un secteur de cercle (par exemple un demi-cercle ou un quart de cercle). Elle peut également avoir la forme d’un secteur d’anneau, c’est-à-dire d’un segment d’anneau délimité par les deux lignes circulaires de l’anneau et par deux lignes radiales.

Ainsi, chaque partie d’enroulement de la bobine réceptrice de stator est associée à une partie d’enroulement de la bobine émettrice de rotor de sorte que chaque partie d’enroulement de la bobine émettrice de rotor induit un champ alternatif dans la partie d’enroulement correspondante de la bobine réceptrice de stator. Pour des angles de rotation différents on a ainsi un chevauchement différent des parties de bobine en forme de faucille avec les parties de bobine en forme de secteur d’anneau de cercle, ce qui génère des tensions alternatives induites différentes.

En outre, l’amplitude de la tension alternative dépend de la surface de chevauchement des parties de bobine en forme de faucille et des parties de bobine en forme de segment d’anneau de cercle. Cette surface de chevauchement peut se régler par la forme des parties de bobine en faucille. Comme dans le cas d’une forme de faucille, la surface de chevauchement n’augmente pas de façon linéaire avec l’angle de rotation, on peut régler la relation fonctionnelle entre l’amplitude de la tension alternative et l’angle de rotation par la forme des faucilles. En particulier, on peut régler une relation sinusoïdale entre l’amplitude de la tension alternative et l’angle de rotation.

Une partie d’enroulement en forme de secteur d’anneau de cercle comporte deux segments conducteurs en forme d’arc de cercle de rayon différent, dirigés radialement et reliés aux extrémités des segments conducteurs en forme d’arc de cercle. Mais, il est également possible qu’une partie d’enroulement soit en forme de secteur d’anneau de cercle, c’est-à-dire comporte uniquement un segment conducteur en forme d’arc de cercle relié à deux segments conducteurs orientés radialement, pratiquement jusqu’à Taxe de rotation. En outre, une partie d’enroulement en forme de segment d’anneau de cercle peut également être de forme hémisphérique. Le rayon intérieur du secteur d’anneau de cercle qui définit la partie de bobine peut représenter, de préférence 5% et au maximum 15% du rayon extérieur du secteur d’anneau de cercle. Le capteur d’angle de rotation utilise un principe de mesure simple et peut en outre se réaliser d’une manière économique car il n’a pas d’aimant coûteux installé sur l’élément de rotor. La disposition et la forme des bobines occupent peu d’encombrement. De plus, le capteur d’angle de rotation est robuste vis-à-vis des tolérances de construction, ce qui permet une économie.

Selon un développement de l’invention, les parties de bobine en forme de faucille sont délimitées par des segments conducteurs en forme d’arc de cercle. On obtient de cette manière une relation de fonction sinusoïdale entre l’amplitude de la tension alternative induite dans Tune des bobines réceptrices de stator et l’angle de rotation. Un signal sinusoïdal dépendant de l’angle de rotation s’exploite facilement et se convertit en un angle de rotation. Par exemple, dans le cas de deux bobines réceptrices de stator (dans un système à deux phases) à partir du quotient des deux signaux on détermine l’angle de rotation par la fonction arctan. Dans le cas de trois bobines réceptrices de stator (système triphasé) on obtient l’angle de rotation par une transformation de Clarke qui détermine les trois signaux et ensuite applique un calcul arctan.

De façon générale, les parties de bobine de la bobine réceptrice de stator et des parties de bobine de la bobine émettrice de rotor peuvent être installées symétriquement autour de l’axe de rotation. On peut également avoir des parties d’enroulement de la bobine réceptrice de stator et/ou des parties d’enroulement de la bobine émettrice de rotor qui sont pratiquement de même nature ou identiques. Ainsi, les tensions alternatives induites dans chaque paire de parties d’enroulement sont égales.

Selon un développement de l’invention, la bobine émettrice de rotor se compose de deux parties d’enroulement de même dimension, en forme de faucille. Le diamètre des segments conducteurs en forme d’arc de cercle ou de cercle d’une partie d’enroulement peut différer de moins de 10% par rapport à celle de l’autre. Par exemple, les cercles définis par les segments conducteurs peuvent avoir le même diamètre. Il en résulte avantageusement une symétrie de signal, forte et le calcul inverse est simple. Le centre des cercles définis par les segments conducteurs peuvent être décalés l’un par rapport à l’autre d’environ 5% du diamètre moyen des deux cercles.

Selon un développement de l’invention, la bobine émettrice de rotor se compose de quatre parties d’enroulement de même dimension, en forme de faucille, par exemple avec des surfaces de même dimension et le rapport des diamètres des segments conducteurs en forme d’arc de cercle ou de cercle d’une partie d’enroulement diffère de moins de 10% selon la racine de 2 (par exemple 1,41). Il en résulte que les segments intérieurs du chemin conducteur rejoignent les segments conducteurs extérieurs de la faucille voisine. Il en résulte avantageusement une forme sinusoïdale très poussée des signaux. On évite que les signaux ne soient déformés, par exemple, dans le sens d’une fonction triangle. Le centre des cercles définis par les segments conducteurs peuvent être décalés, par exemple de 1/6 jusqu’à 1/2, par exemple à environ 1/4 du plus grand rayon.

Selon un développement de l’invention, les parties d’enroulement de la bobine réceptrice de stator, qui sont en forme de secteur d’anneau de cercle et les parties d’enroulement en forme de faucille de la bobine émettrice de rotor ont chacune une orientation oppo sée par rapport au courant successivement dans la direction périphérique. En d’autres termes, les parties d’enroulement en forme de faucille de la bobine émettrice de rotor qui sont voisines dans la direction périphérique ont des champs électromagnétiques pratiquement antiparallèles lorsque ces champs électromagnétiques sont appliqués aux parties d’enroulement de la bobine réceptrice de stator en forme de secteur d’anneau de cercle, les tensions alternatives engendrées s’additionnent du fait du montage en série. Inversement, les tensions induites dans les parties d’enroulement en forme de secteur d’anneau de cercle et qui correspondent à un champ parasite homogène se compensent. Cela permet de réduire fortement l’influence des champs magnétiques parasites (par exemple ceux engendrés par des courants forts passant dans des câbles à proximité), les parties d’enroulement en forme de faucille se trouvent uniquement dans une zone annulaire de l’élément de rotor qui entoure l’axe de rotation. De cette manière, on a, sur l’élément de rotor, une surface entourant l’axe de rotation et qui peut servir à d’autres fonctions de l’élément de rotor. La zone annulaire peut être définie par deux cercles concentriques de rayon différent autour de l’axe de rotation.

La bobine réceptrice de rotor peut, par exemple, se trouver dans la zone intérieure de l’élément de rotor qui entoure l’axe de rotation et les parties d’enroulement en forme de faucille peuvent entourer cette zone intérieure. On a ainsi une grande robustesse vis-à-vis des tolérances (en particulier vis-à-vis des décalages radiaux de l’élément de rotor par rapport à l’élément de stator) aboutissant ainsi à un capteur très peu encombrant et économique.

Selon un développement de l’invention, la bobine réceptrice de rotor et/ou la bobine émettrice de stator entoure l’axe de rotation du capteur d’angle de rotation suivant une forme circulaire, l’axe étant le centre qui définit les cercles des bobines. Il en résulte avantageusement un champ magnétique particulièrement homogène (bobine émettrice de stator) ou encore une partie aussi grande que possible du champ généré pourra être reçue par la bobine réceptrice de rotor.

Selon un développement de l’invention, la bobine émettrice de rotor et au moins une bobine réceptrice de stator ont chacune un nombre pair de parties d’enroulement. De cette manière, les deux bobines auront le même nombre de parties d’enroulement orientées dans une direction et dans l’autre direction de sorte que les champs parasites externes se compensent complètement. Le signal reçu par la bobine réceptrice de stator peut ainsi être une fonction de l’angle de rotation et ainsi pratiquement une fonction sinus ou une fonction cosinus oscillant autour de la ligne nulle. Cela simplifie l’exploitation car elle ne nécessite aucune électronique d’exploitation compliquée pour calculer, de manière inverse, l’angle à partir de la valeur du signal. L’exploitation peut se faire à l’aide d’un circuit à composant discret ou avec un processeur très simple. L’expression "bobine émettrice de rotor" représente au moins une "bobine émettrice de rotor". Cela s’applique, de façon analogue, à la bobine réceptrice de stator, à la bobine émettrice de stator et à la bobine réceptrice de rotor.

Selon un développement de l’invention, l’élément de stator comporte deux bobines réceptrices de stator décalées de 90° Tune par rapport à l’autre dans la direction périphérique ou encore l’élément de stator comporte trois bobines réceptrices de stator décalées Tune par rapport à l’autre de 120° dans la direction périphérique. La multiplicité des bobines réceptrices de stator fournissant chacune son propre signal permet d’augmenter la précision du capteur d’angle de rotation. En exploitant les signaux de différence, on n’intègre pas les tensions induites par les champs parasites externes dans la mesure car ces champs parasites agissent de la même manière sur tous les signaux. Dans le cas de deux bobines réceptrices de stator on peut exploiter un signal de différence. Dans le cas de trois bobines réceptrices de stator on peut exploiter trois signaux d différence.

Selon un développement de l’invention, les bobines émet-trices de stator et au moins une bobine réceptrice de stator sont des bobines planes installées dans et/ou sur une plaque de circuit de stator. On peut également avoir des bobines réceptrices de rotor et des bobines émettrices de rotor qui sont des bobines planes installées dans et/ou sur une plaque de circuit de rotor. Les éléments du capteur d’angle de rotation peuvent être réalisés à partir de composants simples à fabriquer. Par exemple, les bobines peuvent être réalisées dans une seule couche dans la plaque de circuit ou dans deux couches d’une plaque de circuit, les chemins conducteurs étant reliés entre eux par des contacts traversant reliant les deux couches. Cela permet d’utiliser une conception de plaque de circuit particulièrement simple et économique à réaliser.

Dessins

La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée, à l’aide d’exemples de capteurs d’angle de rotation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d’un capteur d’angle de rotation correspondant à un mode de réalisation de l’invention, la figure 2 montre schématiquement un élément de stator d’un capteur d’angle de rotation selon un mode de réalisation de l’invention, la figure 3 montre schématiquement un élément de rotor d’un capteur d’angle de rotation selon un mode de réalisation de l’invention, la figure 4 montre un diagramme donnant des relations géométriques de l’élément de rotor de la figure 3, la figure 5 montre schématiquement un élément de rotor d’un capteur d’angle de rotation selon un autre mode de réalisation de l’invention, la figure 6 montre schématiquement un élément de stator d’un capteur d’angle de rotation selon cet autre mode de réalisation de l’invention, la figure 7 montre schématiquement un élément de stator d’un capteur d’angle de rotation correspondant à un autre mode de réalisation de l’invention, la figure 8 montre schématiquement un élément de rotor d’un capteur d’angle de rotation selon un autre mode de réalisation de l’invention, la figure 9 montre un diagramme donnant les relations géométriques de l’élément de rotor de la figure 8, - la figure 10 montre schématiquement un élément de rotor d’un autre capteur d’angle de rotation selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Description de modes de réalisation

La figure 1 montre un capteur d’angle de rotation 10 d’un élément de stator 12 et d’un élément de rotor 14. L’élément de rotor 14 s’installe sur un arbre 16 d’un composant tel que le volet d’étranglement, d’un moteur, un arbre à came, la pédale d’accélérateur ou autre ou est intégré à cet arbre 16. L’arbre 16 tourne autour de l’axe A et l’élément de stator 16 est en face de l’élément de rotor 14 dans la direction axiale correspondante. L’élément de stator 12 est, par exemple, fixé aux moitiés du composant. L’élément de stator 12 comporte une plaque de circuit de stator 18 munie d’une bobine émettrice de stator 20 et un ensemble de bobines réceptrices de stator 22. La plaque de circuit de stator 18 peut être une plaque de circuit de stator 18 à une couche, à deux couches ou à plusieurs couches et les conducteurs des bobines 20, 22 peuvent se trouver sur les deux côtés de la plaque de circuit de stator 18 et entre les différentes couches de cette plaque 18. La plaque de circuit de stator 18 peut porter d’autres composants d’une unité de commande 24. L’unité de commande 24 alimente les bobines de stator 20 avec une tension alternative (par exemple une fréquence comprise entre 1 MHz et 20 MHz, par exemple 5 MHz et/ou une tension d’amplitude comprise entre 0,5V-10V, (par exemple égale à 1,5 V). Dans chaque bobine réceptrice de stator 22 on détermine la tension alternative induite. En fonction de ces mesure, l’unité de commande 24 donne l’angle de rotation relatif entre l’élément de stator 12 et l’élément de rotor 14. L’élément de rotor 14 comporte une plaque de circuit de rotor 26. Cette plaque de circuit de rotor 26 porte une bobine réceptrice de rotor 28 et une bobine émettrice de rotor 30. La plaque de circuit de rotor 26 peut être une plaque de circuit à une couche, à deux couches ou à plusieurs couches et les conducteurs des bobines 28, 30 peuvent se trouver sur les deux côtés de la plaque de circuit de rotor 26 ou entre les différentes couches de cette plaque de circuit de rotor 26.

Les dimensions extérieures caractéristiques (telles que le diamètre) de la bobine émettrice de stator 20, des bobines émettrices de stator 22a, 22b, des bobines réceptrices de stator 22a, 22b, de la bobine réceptrice de rotor 28 et de la bobine émettrice de rotor 30 sont comprises entre 4 mm et 50 mm (elles sont de préférences égales à 12 mm).

La figure 2 montre un élément de stator 12 de capteur d’angle de rotation 10 de la figure 1 en vue de dessus qui se compose de la bobine d’émission de stator 20 et de deux bobines de réception de stator 22a, 22b.

La bobine émettrice de stator 20 a pratiquement une forme circulaire et l’axe A est le centre de la bobine émettrice de stator 20 ; elle entoure complètement les bobines réceptrices de stator 22a, 22b. La première et la seconde bobines réceptrices de stator 22a, 22b sont décalées l’une par rapport à l’autre de 90° dans la direction périphérique et elles ont chacune deux parties de bobine 32a, 32b orientées en sens opposé (ces parties ne comportent des références que pour la bobine 22a). Chacune des parties de bobine 32a, 32b a une forme de secteur d’anneau de cercle et elle est notamment pratiquement en forme de demi-cercle. La partie d’enroulement 32a est orientée en sens opposé à la partie d’enroulement 32b (orientation par rapport au passage du courant). Les deux parties 32a, 32b d’une bobine réceptrice de stator se chevauchent en combinaison pratiquement sur toute la surface parcourue par la bobine émettrice de stator 20. Cela permet d’avoir un signal de réception particulièrement puissant.

La figure 3 montre un élément de rotor 14 du capteur d’angle de rotation 10 de la figure 1, en vue de dessus ; cet élément comporte la bobine réceptrice de rotor 28 et la bobine émettrice de rotor 30.

La bobine réceptrice de rotor 28 a pratiquement une force circulaire ou d’arc de cercle et l’axe A correspond au centre de la bobine émettrice de stator 20 et entoure complètement la bobine émettrice de rotor 30. La bobine réceptrice de rotor 28 et la bobine émettrice de rotor 30 sont reliées électriquement par leurs extrémités, c’est-à-dire qu’elles sont court-circuitées ou branchées en série. La bobine réceptrice de rotor 28 peut parcourir la même surface que la bobine émettrice de stator 20 et/ou être alignée sur celle-ci par rapport à Taxe de rotation A. La géométrie de la bobine émettrice de stator 20 et de la bobine réceptrice de rotor 28 peuvent être identiques. Il est également possible que la bobine émettrice de stator 20 et la bobine réceptrice de rotor 28 diffèrent en diamètre et/ou par le nombre de conducteurs distincts formant chaque bobine. C’est ainsi que, par exemple, la bobine émettrice de stator 20 peut comporter deux, quatre ou plus de boucles conductrices allant dans le même sens pour générer un champ alternatif puissant.

La bobine émettrice de rotor 30 a deux parties d’enroulement 34a, 34b en sens opposé et qui ont chacune une forme de faucille. La première partie d’enroulement 34a est orientée en sens opposé de la seconde partie d’enroulement 34b (orientation pour le passage du courant). La géométrie des parties d’enroulement 34a, 34b peut être la même. Les parties d’enroulement 34a, 34b se trouvent dans une zone annulaire 36 entourant Taxe de rotation A et se trouvant à l’extérieur de la zone intérieure 38 non couverte par la bobine émettrice de rotor 30.

Les deux parties d’enroulement 34a, 34b en forme de faucille sont formées par des segments de conducteur 40a, 40b pratiquement en forme d’arc de cercle, et qui se croisent au point de transition entre les enroulements en forme de faucille 34a, 34b. Les extrémités des intersections pour les parties d’enroulement 34a, 34b peuvent se trouver dans des positions différentes de la plaque de circuit de rotor 26.

Lorsque l’unité de commande 24 applique une tension alternative à la bobine émettrice de stator 20, cela génère un champ électromagnétique alternatif reçu par la bobine réceptrice de rotor 28 qui, en induisant une tension, génère un courant. La distance, par exemple, entre la plaque de circuit de stator 18 et la plaque de circuit de rotor 26 sera choisie pour que la plaque de circuit de stator 28 se trouve dans le voisinage proche de la plaque de circuit de rotor 26.

Le champ électromagnétique généré par la bobine émettrice de stator 20 ne génère pratiquement pas de courant dans les bobines réceptrices de stator 22a, 22b et la bobine émettrice de rotor 30 car les parties d’enroulement 32a, 32b ou 34a, 34b tournent en sens opposé. Le courant induit dans la bobine de réception de rotor 28 passent également par la bobine émettrice de rotor 30 qui génère ainsi avec ses deux parties d’enroulement 34a, 34b, deux champs électromagnétiques alternatifs orientés en sens opposé.

Ces champs alternatifs induisent dans les bobines réceptrices de stator 22a, 22b, un courant alternatif qui dépend, pour chacune des bobines réceptrices de stator 22a, 22b de l’angle de rotation relatif de l’élément de stator 12 par rapport à l’élément de rotor 14.

Le courant alternatif induit dans les bobines réceptrices de stator 22a, 22b dépend pratiquement, de façon linéaire, du chevauchement relatif des parties d’enroulement 32a, 32b en forme de section d’anneau de cercle des bobines réceptrices de stator 22a, 22b et des parties d’enroulement en forme de faucille 34a, 34b de la bobine émettrice de rotor 30. A cause du choix de la géométrie des parties d’enroulement, la surface relative de chevauchement ne dépend pas de l’angle de rotation selon une fonction linéaire et l’amplitude de la tension alternative induite se règle en fonction de l’angle de rotation par le choix de la géométrie des parties d’enroulement 34a, 34b en forme de faucille. Par exemple, comme cela sera détaillé ensuite, l’amplitude de la tension alternative induite dépend du sinus de l’angle de rotation. Cela facilite l’exploitation du signal généré par les bobines de réception de stator 22a, 22b.

La figure 4 montre un diagramme décrivant la géométrie de la bobine émettrice de rotor 30 et de ses parties d’enroulement 34a, 34b. Les segments conducteurs en forme d’arc de cercle 40a, 40b sont définis par deux cercles de diamètre DI et D2 (c’est-à-dire que ces segments de conducteur suivent pratiquement ces cercles) dont les centres sont décalés de la distance x. Les deux diamètres Dl, D2 peuvent être sensiblement identiques. Le décalage x est choisi par rapport au diamètre moyen D=(Dl+D2)/2 dans la plage 0,05<x/D<0,5 avec, de préférence x/D=0,15. Les diamètres sont sensiblement compris entre 4 mm et 20 mm et sont de préférence égaux à 12 mm.

La figure 5 montre un autre élément de rotor 14 utilisé en combinaison avec l’élément de stator 12 de la figure 2. L’élément de rotor 14 comporte une bobine réceptrice de rotor 30 dans la bobine émet- trice de rotor 28. La bobine réceptrice de rotor 30 se trouve dans la zone intérieure 38 de la zone annulaire 36.

Grâce aux parties d’enroulement 34a, 34b en forme de faucille de la bobine émettrice de rotor 28 on peut utiliser la zone intérieure 38 pour y intégrer la bobine réceptrice de rotor 30. Cette solution a l’avantage que, d’une part, l’élément de rotor 14 sera plus petit et plus économique et d’autre part, l’amplitude de la tension alternative induite dans la bobine réceptrice de rotor 28 ne dépendra pas du décalage latéral entre l’élément de rotor 14 et l’élément de stator 12.

La figure 6 montre un autre mode de réalisation d’un élément de stator 12 utilisé en combinaison avec l’élément de rotor 14 des figures 3 et 5. L’élément de stator 12 comporte une première bobine réceptrice de stator 22a, une seconde bobine réceptrice de stator 22b et une troisième bobine réceptrice de stator 22c ; ces bobines réceptrices sont décalées sensiblement de 120° les unes par rapport aux autres et elles peuvent être installées chacune comme les bobines réceptrices de stator 22a, 22b de la figure 2.

Les trois bobines réceptrices de stator 22a, 22b, 22c induisent dans l’élément de stator 12, trois tensions alternatives différentes (tels que signal 1, signal 2, signal 3) qui donnent ainsi un signal triphasé que l’on exploite. En particulier, on peut exploiter, non seulement les tensions alternatives directement induites, mais également leurs différences. Par l’exploitation des différences (signal 1 - signal 2), (signal 2 - signal 3) et (signal 3 - signal 1) on peut compenser l’éventuel décalage et arriver à une forme sinusoïdale plus importante. Le calcul inverse en angle de rotation peut se faire de manière simple et robuste en appliquant la transformée de Clarke.

Les capteurs d’angle de rotation 10, présentés dans les éléments de stator 12 et les éléments de rotor 14 des figures 2 à 6 ont une périodicité, c’est-à-dire une plage de mesure de 360°. Comme de nombreuses applications telles que la détection d’un angle de rotation (angle de pivotement) d’un volet d’étranglement demandent une périodicité inférieure à 360°, on décrira ci-après une périodicité à 180° à l’aide des figures 7 à 10.

La figure 7 montre un élément de stator 12 avec une bobine réceptrice de stator 22a composée de quatre parties d’enroulement 34a, 34b identiques, en forme de secteur d’anneau de cercle (ici des formes de quart de cercle). Les parties d’enroulement 32a, 32b ont une orientation alternative dans la direction périphérique autour de Taxe de rotation A. L’élément de stator 12 peut comporter d’autres bobines réceptrices de stator construites comme la bobine réceptrice de stator 22a et qui sont décalées Tune par rapport à l’autre d’un angle déterminé, comme cela sera décrit ensuite. A titre d’exemple, dans le cas de bobines réceptrices de stator 22a, on pourra décaler ces bobines 22a d’un angle de 45°.

De façon générale, une bobine réceptrice de stator 22a aura un nombre identique de parties de spires 32a, 32b qui tournent à gauche (n/2) et à droite (n/2). Il en résulte que les tensions alternatives partielles induites dans la bobine émettrice de stator 20 se compensent en somme et donnent un signal de sortie 0 V sur toutes les bobines réceptrices 22a. Ce fait peut également s’appliquer pour le diagnostique propre car le capteur d’angle de rotation 10 peut ainsi savoir que l’élément de rotor 12 soit fait défaut, ou qu’il y a une coupure électrique.

Le nombre total n de parties d’enroulement 32a, 32b fixe la périodicité du capteur d’angle de rotation 10, la plage dans laquelle les signaux sont univoques, c’est-à-dire la plage de mesure. Il peut également être avantageux que le nombre de parties d’enroulement 34a, 34b en forme de faucille sur l’élément de rotor 14 soit égal au nombre n de parties d’enroulement 32a, 32b en forme de secteur d’anneau de cercle sur l’élément de stator 12.

Pour la périodicité Per on applique la formule suivante :

Per=360°/(n/2) A partir de cette périodicité Per et du nombre (m) de bobines réceptrices de stator 22a, 22b, 22c (voir figures 2 et 6) on obtient la rotation géométrique nécessaire ζ des bobines réceptrices de stator 22a, 22b, 22c les unes par rapport aux autres selon la formule suivante : ξ = Per/(2-m) pour m = 2 et ξ = Per / m pour m>3

Pour les figures 2 à 6, du fait de n=2 les parties d’enroulement 32a, 32b ont une périodicité de 360° et ainsi pour un système à deux phases (m=2) on a une rotation géométrique entre les bobines réceptrices égale à 90° (figure 2). Dans le cas d’un système triphasé on obtient 120° (figure 6).

Pour la figure 7 on a pour n=4 les parties d’enroulement 32a, 32b avec une périodicité de 180° et ainsi pour un système à deux phases (n=2) on a une rotation géométrique entre les bobines réceptrices, égales à 45°. Dans un système à trois phases avec m = 3 on obtient ainsi 60°.

La figure 8 montre un élément de rotor 14 pour l’élément de stator 12 de la figure 7 qui a quatre parties d’enroulement 34a, 34b en forme de faucille, identiques. Dans la direction périphérique autour de l’axe de rotation A les parties d’enroulement 34a, 34b ont, une orientation variant dans la direction périphérique autour de l’axe de rotation A. Précisément, les parties 32a, 32b d’un enroulement récepteur de stator 22a comme les parties 32a, 32b d’une bobine réceptrice de stator 22a sur le segment de stator 12 correspondant selon la figure 7 on a des parties en forme de faucille 34a, 34b décalées dans la direction périphérique d’un angle géométrique de 90°.

Selon la figure 9, on peut définir la géométrie des parties de bobine 34a, 34b en forme de faucille avec deux cercles de diamètre D3 et D4 et dont les centres sont décalés de la distance i. Chaque partie d’enroulement 34a, 34b a deux segments de conducteurs en forme d’arc de cercle 40a, 40b qui suivent pratiquement les deux cercles.

On a constaté que dans la bobine réceptrice de stator 22a, on obtenait le meilleur signal lorsque les diamètres D3, D4 sont dans un rapport égal à la racine de 2. La distance x est choisie pour que les deux angles β formés au point d’intersection des cercles soient pratiquement égaux et que l’angle β se définit par l’intersection de la ligne circulaire partant de la ligne circulaire et d’une droite passant par le point d’intersection et qui fait un angle de 45° par rapport au trajet x. Pour cela, on choisit x/D3 avantageusement dans une plage comprise entre 1/6 et 1/2 ; ce rapport est par exemple égal à 1/4.

La figure 10 montre un élément de rotor 14 analogue à celui de la figure 5 et dont la bobine réceptrice de rotor 28 se trouve à l’intérieur de la bobine émettrice de rotor 30.

NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Capteur d’angle de rotation 12 Elément de stator 14 Elément de rotor 16 Arbre 18 Plaque de circuit de stator 20 Bobine émettrice de stator 22 Bobine réceptrice de stator 22a, 22b Bobines émettrices de stator 24 Unité de commande 26 Circuit de rotor 28 Bobine réceptrice de rotor 30 Bobine émettrice de rotor 32a, 32b Parties de bobine 34a, 34b Parties d’enroulement 40a, 40b Segments conducteurs

Claims

REVENDICATIONS 1°) Capteur d’angle de rotation (10) comportant : un élément de stator (12) avec une bobine émettrice de stator (20) et au moins une bobine réceptrice de stator (22) ; un élément de rotor (14) monté à rotation par rapport à l’élément de stator (12) autour d’un axe de rotation (A) et ayant une bobine réceptrice de rotor (28) ainsi qu’une bobine émettrice de rotor (30) reliées électriquement, * la bobine réceptrice de rotor (28) étant couplée par induction à la bobine émettrice de stator (20) de façon que le champ électromagnétique généré par la bobine émettrice de stator (20) induise un courant dans la bobine réceptrice de rotor (28), ce courant passant dans la bobine émettrice de rotor (30) de façon que cette bobine (30) génère un autre champ électromagnétique ; * la bobine réceptrice de stator (22) étant couplée par induction à la bobine émettrice de rotor (30) de façon que le couplage inductif dépende de l’angle de rotation entre l’élément de stator (12) et l’élément de rotor (14) et que le champ électromagnétique généré par la bobine émettrice de rotor (30) induise dans au moins une bobine réceptrice de stator (22) au moins une tension alternative dépendant de l’angle, capteur caractérisé en ce que la bobine réceptrice de stator (22) a au moins deux parties de bobine (32a, 32b) en forme de secteur d’anneau de cercle qui divisent l’élément de stator (12) en secteurs dans la direction périphérique et la bobine émettrice de rotor (30) comporte des parties de bobine (34a, 34b) en forme de faucille dont le nombre correspond au nombre de parties de bobines en forme de secteur d’anneau de cercle et qui entourent Taxe de rotation (A) successivement les unes à la suite des autres dans la direction périphérique.
2°) Capteur d’angle de rotation (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties de bobine (34a, 34b) en forme de faucille sont délimitées par des segments de conducteur (40a, 40b) en forme d’arc de cercle.
3°) Capteur d’angle de rotation (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine émettrice de rotor (30) se compose de deux parties de bobine (34a, 34b) de forme de même dimensions, en forme de faucille et/ou les diamètres (Dl, D2) des segments de conducteur (40a, 40b) en forme d’arc de cercle d’une partie d’enroulement (34a, 34b) en forme de faucille diffèrent de moins de 10%.
4°) Capteur d’angle de rotation (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine émettrice de rotor (30) se compose de quatre parties de bobine (34a, 34b) en forme de cercle, de même dimension et/ou le rapport des diamètres (D3, D4) des segments de conducteur (40a, 40b) en forme d’arc de cercle d’une partie d’enroulement (34a, 34b) diffèrent de moins de 10% de la racine de 2.
5°) Capteur d’angle de rotation (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les parties de bobine en forme de secteur d’anneau de cercle (32a, 32b) d’une bobine réceptrice de stator (22) et les parties de bobine en forme de faucille (34a, 34b) de la bobine émettrice de rotor (30) ont, en se suivant successivement dans la direction périphérique, une orientation opposée à celle du courant qui les traverse.
6°) Capteur d’angle de rotation (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les parties de bobine (34a, 34b) en forme de faucille se trouvent uniquement dans une zone annulaire (36) de l’élément de rotor (14) qui entoure l’axe de rotation (A), et/ou la bobine réceptrice de rotor (28) se trouve dans une zone intérieure (38) de l’élément de rotor (14) qui entoure l’axe de rotation (A) et les parties de bobine (34a, 34b) en forme de faucille entourent la zone intérieure (38).
7°) Capteur d’angle de rotation (10) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bobine réceptrice de rotor (28) et/ou la bobine émettrice de stator (20) entourent l’axe de rotation (A) du capteur d’angle de rotation (10) suivant une forme de cercle.
8°) Capteur d’angle de rotation (10) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bobine émettrice de rotor (30) et au moins une bobine réceptrice de stator (22) ont un nombre pair de parties de bobine (32a, 32b, 34a, 34b).
9°) Capteur d’angle de rotation (10) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’élément de stator (12) comporte deux bobines réceptrices de stator (22a, 22b) décalées l’une par rapport à l’autre de 90° dans la direction périphérique ou l’élément de stator (12) a trois bobines réceptrices de stator (22a, 22b, 22c) décalées l’une par rapport à l’autre de 120° dans la direction périphérique.
10°) Capteur d’angle de rotation (10) selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bobine émettrice de stator (20) et au moins une bobine réceptrice de stator (22) est constituée par des bobines planes qui se trouvent dans et/ou sur une plaque de circuit de stator (18) et/ou la bobine réceptrice de rotor (28) et la bobine émettrice de rotor (30) sont des bobines planes qui se trouvent dans et/ou sur une plaque de circuit de rotor (26).