WO2014076380A1 - Capteur magnétique de vitesse angulaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un capteur de vitesse angulaire comprenant un stator (2) et un rotor (1) susceptibles d'être respectivement liés à deux organes dont on veut mesurer la vitesse angulaire relative, le stator et le rotor étant munis de dentures en vis-à-vis, et comprenant en outre des moyens (4) pour engendrer un flux magnétique, une bobine (3) agencée pour être traversée par ledit flux et des moyens (5) pour fermer le circuit magnétique. Le stator comprend deux dentures coaxiales décalées angulairement disposées chacune en vis-à-vis de la denture du rotor. Application dans le domaine de l'aéronautique.

Description

Capteur magnétique de vitesse angulaire.

La présente invention concerne un capteur magnétique de vitesse angulaire, notamment destiné au domaine de l'aéronautique.

On connaît dans le domaine de l'aviation, de tels capteurs ayant pour fonction de mesurer précisément la vitesse instantanée d'une roue d'un train d'atterrissage, permettant en particulier d'asservir le freinage au sol d'un aéronef. Aujourd'hui, la technologie magnétique à reluctance variable est particulièrement adaptée à cet environnement très exigeant notamment en matière de vibrations et de températures de fonctionnement.

A titre d'exemple, le document FR-2 689 700 décrit un tel capteur.

Un capteur de vitesse angulaire à reluctance variable comporte un circuit magnétique composé d'un aimant permanent engendrant un champ d'excitation magnétique, et de pièces ferromagnétiques canalisant le flux. Ces pièces ferromagnétiques comprennent un stator "fixe" solidaire du support de la roue, et un rotor "mobile" solidaire en rotation de la roue. L'une et l'autre de ces pièces comportent un nombre égal de dents en saillie, séparées radialement par rapport à l'axe de rotation par un jeu appelé entrefer. Le capteur a pour but de mesurer la vitesse de rotation angulaire relative entre le rotor et le stator.

A cet effet, une bobine est disposée dans le champ magnétique de l'aimant permanent. La variation de la réiuctance du trajet du flux dans la bobine, due aux dents en mouvement relatif, provoque une variation du signal de fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator.

Une difficulté dans ce type de capteur réside dans le fait que la variation de flux magnétique dans l'entrefer génère également un couple dit "d'indexation" (ou cogging), alternatif et de même fréquence que le signal mesuré. La partie du système dont la vitesse angulaire est à mesurer, appelée "arbre menant" est usuellement reliée au rotor par un accouplement permettant de compenser dans certaines limites les désalignements. Si cet accouplement comporte un jeu angulaire ou une raideur en torsion trop faible, le couple d'indexation va avoir pour effet d'induire un mouvement angulaire relatif entre l'arbre menant et le rotor qui va donc altérer la mesure de vitesse.

Afin de rendre la mesure moins sensible à cet éventuel problème, il convient d'essayer de minimiser la variation de flux totale vue par l'entrefer (générant le couple d'indexation) tout en maximisant celle vue par la bobine (générant le signal). On connaît également les dispositifs décrits dans les documents US-3541368- A, US-9480812-A, EP-357870-A et EP-836020-A.

L'invention vise à pallier les différents types d'inconvénients rencontrés dans les capteurs de l'art antérieur.

Plus particulièrement, l'invention a notamment pour but de fournir un capteur de vitesse angulaire dans lequel la résultante du flux dans l'entrefer est sensiblement constante.

A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de vitesse angulaire comprenant un stator et un rotor susceptibles d'être respectivement liés à deux organes dont on veut mesurer la vitesse angulaire relative, le stator et le rotor étant munis de dentures en vis-à-vis, et comprenant en outre des moyens pour engendrer un flux magnétique, une bobine agencée pour être traversée par ledit flux et des moyens pour fermer le circuit magnétique, le stator comprenant deux dentures coaxiales décalées angulairement disposées chacune en vis-à-vis de la denture du rotor.

Ainsi, la variation de flux dans l'entrefer de la deuxième denture et du rotor s'additionne à celle dans l'entrefer de la première denture. Si la perméabilité du matériau statorique est très élevée par rapport au rapport dimensionnel de la largeur de la pièce/entrefer, les amplitudes sont quasiment égales.

Dans un mode de réalisation particulier, les deux dentures du stator comprennent le même nombre de dents.

Plus particulièrement, les deux dentures du stator peuvent être décalées angulairement d'un demi-pas de dent.

Egalement dans un mode de réalisation particulier, les deux dentures sont réalisées d'une seule pièce et dans la même opération d'usinage.

On peut ainsi obtenir un déphasage pratiquement parfait, de sorte que la variation de flux totale dans l'entrefer est théoriquement nulle, très faible dans la pratique, ce qui diminue considérablement le couple d'indexation.

Egalement dans un mode de réalisation particulier, ladite bobine est montée entre les deux dentures du stator.

Egalement dans un mode de réalisation particulier, les moyens pour fermer le circuit magnétique comprennent une rondelle coaxiale au rotor et au stator.

Dans un autre mode de réalisation, les moyens pour fermer le circuit magnétique comprennent un deuxième stator coaxial au premier stator. Le deuxième stator peut également comporter deux dentures coaxiales décalées angulairement.

On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, des modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue de principe en demi-coupe axiale d'un capteur magnétique de vitesse angulaire selon un premier mode de réalisation de l'invention,

- la figure 2 est une section selon la ligne AA de la figure 1 ,

- la figure 3 est une section selon la ligne BB de la figure 1 , - la figure 4 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un capteur selon un autre mode de réalisation de l'invention,

- les figures 4a et 4b illustrent le trajet du flux magnétique dans le capteur selon la figure 4,

- les figures 5 et 6 illustrent le trajet du flux magnétique dans le capteur de la figure 1 ,

- la figure 7 est une vue de face du stator d'un capteur selon l'invention,

- la figure 8 en est une vue en coupe axiale selon la ligne AA de la figure 7, et

- la figure 9 est une vue à plus grande échelle du détail B de la figure 7.

Dans la présente description, les termes « stator » et « rotor » désignent deux objets dont l'un, le « rotor » est animé d'un mouvement de rotation par rapport à l'autre, le stator. Les deux objets peuvent être intervertis sans sortir du champ de l'invention. Le terme « n » désigne un nombre entier positif. Le capteur représenté à la figure 1 se compose d'un rotor 1 comprenant une denture intérieure s'étendant axialement tout le long de la partie statorique active, et d'un ensemble statorique comprenant un stator 2 à double dentures décalées entre lesquelles est disposée une bobine électrique 3, un aimant permanent 4, et une rondelle 5 permettant de fermer le circuit magnétique.

La deuxième denture du stator 2 est décalée angulairement d'un demi-pas de dent par rapport à la première, comme montré aux figures 2 et 3.

La bobine électrique 3 est positionnée sur la pièce statorique entre les deux dentures de telle sorte qu'elle capte la variation de distribution du flux magnétique qui passe alternativement en majorité par l'une puis par l'autre des dentures, comme le montrent les figures 5 et 6 : le trajet du flux est représenté par les boucles 6 et 7 respectivement.

La forme particulière des dentures du stator 2 est, selon le présent exemple de réalisation et sans que cela soit limitatif, celle décrite dans le document FR- 2 689 700. Ces dernières augmentent les variations de flux magnétique, comparées à des dentures classiques de forme trapézoïdale.

Si l'on définit un indicateur d'efficacité (E) égal au rapport de la variation de flux utile (vue par la bobine) sur la variation de flux parasite (dans l'entrefer), on constate que l'invention permet d'améliorer cet indicateur d'efficacité d'un facteur 10 par rapport à une disposition classique.

La figure 4 montre un capteur redondant comprenant un rotor 11 comprenant une denture intérieure s'étendant axialement tout le long de la partie statorique active, et d'un ensemble statorique comprenant un premier stator 12 à double dentures décalées entre lesquelles est disposée une première bobine électrique 13, un aimant permanent 14, et un deuxième stator 15 à double dentures décalées entre lesquelles est disposée une deuxième bobine électrique 16. La rondelle de retour de flux de la figure 1 est donc ici remplacée par un deuxième stator.

Les deux bobines électriques 13 et 16 captent les variations de distribution du flux magnétique qui passe alternativement par l'une puis par l'autre des dentures, comme le montrent les figures 4a et 4b : les trajets du flux sont représentés par les boucles 17 et 18 respectivement.

Ont été comparées les performances d'un capteur à une seule bobine entre une conception classique (une seule denture au stator) et la conception de l'invention. L'encombrement, l'interface mécanique ainsi que la masse restent similaires pour les deux configurations (variation de la masse < 1%). La comparaison se fait à même vitesse (4,4 rpm), avec un niveau de magnétisation permettant de donner une amplitude de signal exploitable (130 mVpp à 4.4 rpm équivaut à environ 2 Vpp à 80 rpm). Dans les deux cas la bobine est reliée directement à un oscilloscope et le rotor est entraîné par un accouplement rigide.

Des relevés de mesure de couple d'indexation et de tension de la bobine confirment que l'indicateur d'efficacité a été multiplié d'un facteur de l'ordre de 10 :

Conception classique : 15 V/(N.m)

Conception de l'invention : 150 V/(N.m)

L'amélioration est encore accrue entre un capteur redondant de conception classique (deux bobines et une seule denture par stator) et un capteur redondant selon l'invention.

L'utilisation de matériau à forte perméabilité magnétique relative (>10000) a permis d'augmenter encore l'indicateur d'efficacité mesurée sur un prototype à plus de 450V/(N.m).

Les figures 7 à 9 représentent un stator 22 du type de celui de la figure 1 réalisé d'une seule pièce dans la même opération d'usinage.

Pour une application donnée, l'accouplement entre la roue dont on veut mesurer la vitesse de rotation et le rotor du capteur se fait par un arbre flexible permettant de compenser les défauts d'alignement sans induire de charges dans les roulements. De telles charges auraient pour effet de réduire très significativement la fiabilité et la durée de vie du capteur. Ce même arbre flexible a incidemment une raideur en torsion assez faible. Le couple d'indexation d'un capteur de conception usuelle induit alors un mouvement angulaire relatif entre l'arbre menant et le rotor qui altère la mesure de vitesse de façon inacceptable. Le même essai a été réalisé avec un capteur de conception innovante. Grâce à son couple d'indexation beaucoup plus faible, ce capteur n'engendre plus d'altération inacceptable de la mesure.

Ainsi que l'aura compris l'homme du métier, le capteur de vitesse angulaire selon la présente invention génère une tension alternative de n pulsations par tour, dont les formes et dispositions des pièces magnétiques actives sont telles qu'une rotation relative du rotor par rapport au stator de 1/(2n) tour transforme le champs magnétique initial en un champs magnétique analogue tourné du même angle et antisymétrique par rapport au plan radial médian.

De cette façon, les flux traversant deux surfaces antisymétriques par rapport au plan radial médian sont intervertis. Ainsi, en fonction de l'angle de rotation, la distribution axiale du flux varie entre ces deux valeurs et une bobine électrique d'exploration située de façon adaptée transforme ces variations en tension alternative, dont la mesure de la fréquence par un système approprié permet de déduire la vitesse angulaire du rotor par rapport au stator. En revanche, le flux magnétique de l'aimant reste identique, de même que le flux total dans l'entrefer.

L'utilisation d'une deuxième bobine disposée de l'autre côté du plan radial médian permet d'avoir une redondance de la mesure.

Dans un tel capteur de vitesse angulaire, pour chaque plan radial contenant les dentures ou saillies du rotor et du stator, celles-ci sont définies et dimensionnées de telle sorte que leur rotation relative génère des variations locales de flux, oscillant de façon sinusoïdale n fois par tour entre deux extrêmes. Dans le plan radial antisymétrique par rapport au plan radial médian, les mêmes variations locales de flux mais avec un déphasage de 1/(2n) tour sont observées de sorte que la somme de ces deux variations est nulle. Par extension, il en découle que le flux total dans l'entrefer est constant quelle que soit la position du rotor par rapport au stator. Cette disposition permet d'avoir un couple d'indexation nul entre le stator et le rotor.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les deux pièces du stator dont les parties magnétiques actives- sont identiques, sont positionnées axialement de part et d'autre de l'aimant (lui-même lié au stator), sans retournement axial, avec un décalage angulaire de 1/(2n) tours. La position angulaire des dentures du rotor est invariable axialement et celles-ci sont présentes dans chaque plan radial où le stator présente des dentures. De plus, chacune des 2 parties de stators comportent deux dentures décalées d'un angle de 1/(2n) tour et comportant chacune n dents identiques et régulièrement réparties. Dans ce cas, la (ou les) bobine(s) est (sont) montée(s) entre les deux dentures d'une (de chacune des) partie(s) du stator.

Dans un autre mode particulier de réalisation, la deuxième partie du stator

(nécessairement sans bobine) est remplacée par une pièce magnétique plus simple qui permet de fermer le circuit magnétique. La première partie du stator doit avoir une perméabilité magnétique relative élevée (>1000) pour que le couple d'indexation entre le rotor et le stator reste insignifiant.

La denture la plus éloignée de l'aimant peut alors être légèrement modifiée afin de compenser l'éloignement de cette dernière (soit en augmentant axialement sa largeur, soit en augmentant son diamètre extérieur) : cet ajustement peut rendre égaux les extrêmes de reluctance passant dans chacune des deux branches, et leur somme constante, même si la perméabilité magnétique relative n'est pas très élevée. Ainsi le couple d'indexation entre le rotor et le stator reste nul.

Claims

REVENDICATIONS

1. Capteur de vitesse angulaire comprenant un stator (2 ; 12 ; 22) et un rotor (1 ; 11) susceptibles d'être respectivement liés à deux organes dont on veut mesurer la vitesse angulaire relative, le stator et le rotor étant munis de dentures en vis-à-vis, et comprenant en outre des moyens (4 ; 14) pour engendrer un flux magnétique, une bobine (3 ; 13) agencée pour être traversée par ledit flux et des moyens (5 ; 15) pour fermer le circuit magnétique, le stator (2 ; 12 ; 22) comprenant deux dentures coaxiales décalées angulairement disposées chacune en vis-à-vis de la denture du rotor (1 ; 11) caractérisé par le fait que lesdits moyens pour fermer le circuit magnétique comprennent un deuxième stator (15) coaxial au premier stator.

2. Capteur selon la revendication 1 , dans lequel les deux dentures du stator comprennent le même nombre de dents.

3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel les deux dentures du stator sont décalées angulairement d'un demi-pas de dent.

4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux dentures sont réalisées d'une seule pièce.

5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite bobine est montée entre les deux dentures du stator.

6. Capteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens pour fermer le circuit magnétique comprennent une rondelle (5) coaxiale au rotor et au stator.