WO2024023452A1 - Résolveur à réluctance variable - Google Patents

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WO2024023452A1
WO2024023452A1 PCT/FR2023/051180 FR2023051180W WO2024023452A1 WO 2024023452 A1 WO2024023452 A1 WO 2024023452A1 FR 2023051180 W FR2023051180 W FR 2023051180W WO 2024023452 A1 WO2024023452 A1 WO 2024023452A1
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WO
WIPO (PCT)
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rotor
elementary
stator
central axis
teeth
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/051180
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English (en)
Inventor
Blaise André Michel LAPÔTRE
Bernard RABRET
Original Assignee
Safran Electronics & Defense
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electronics & Defense filed Critical Safran Electronics & Defense
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core

Definitions

  • the present invention relates to a variable reluctance resolver.
  • variable reluctance resolver is a type of sensor for precisely measuring the angle of rotation of any rotating system. They can in particular be found in all machines with electric motors, for example aeronautical actuators or optronic systems. A variable reluctance resolver can also be used as a sensor to return position information (e.g. throttles, flaps, ailerons).
  • a variable reluctance resolver includes a rotating part, called a rotor, and a fixed part called a stator. Said parts are arranged concentrically, either in the form of a central rotor and an annular stator placed coaxially around the rotor, or in the form of a central stator surrounded by a rotor comprising an interior hollow. In each configuration, an air gap is formed between the rotor and the stator.
  • the rotor typically has rotational symmetry around the axis common to the stator and a geometry such that the width of the air gap delimited between the rotor surface and the stator surface opposite varies periodically between a maximum value and a minimum value.
  • each maximum value of the air gap corresponds to a hollow line on the rotor surface of the air gap
  • each minimum value of the air gap corresponds to a crest line on said rotor surface.
  • each minimum value of the air gap corresponds to a hollow line on the rotor surface of the air gap, and each maximum value of the air gap corresponds to a crest line on said rotor surface
  • the number of peaks and the number of troughs is identical. Each pair of crest and trough forms a pair of poles corresponding to a minimum width and a maximum width of the air gap.
  • the stator has teeth formed by an even number of teeth projecting towards the air gap. Said teeth carry windings of electrically conductive wire, so that each winding is wound around the teeth.
  • the set of windings comprises an excitation winding on which a voltage alternating electrical current at a frequency of a few kHz is applied, and at least two angle detection windings at the ends of which an electrical voltage is measured. We could have more than two detection windings, for example to ensure redundancy of information.
  • the signal measured on a detection winding essentially corresponds to a sinusoidal curve modulated by the excitation frequency.
  • the signal detected at the detection windings presents a tooth harmonic which corresponds to a modulation each time a pole of the rotor passes in front of a tooth of the stator.
  • This modulation by the tooth harmonic complicates the processing of the detected signal and is harmful for the precision of the resolver.
  • variable reluctance resolver comprising a rotor and a stator coaxial with the rotor is for example taught by document US 2013/193957 A1.
  • An aim of the invention is to propose a variable reluctance resolver making it possible to eliminate the tooth harmonic signals due to the passage of the rotor poles in front of each tooth of the stator teeth.
  • the invention proposes a variable reluctance resolver comprising a rotor and a stator coaxial with said rotor relative to a central axis, said rotor and said stator being separated by an air gap, said stator comprising a stator surface provided with a set of teeth comprising a plurality of teeth projecting in the direction of said air gap, said teeth being arranged so that two consecutive teeth along the set of teeth form a toothing angle relative to the central axis, said rotor comprising a stack of elementary layers stacked (25, 26) coaxially with the central axis, each elementary stratum having an identical geometry in a plane perpendicular to the central axis, characterized in that, each elementary stratum defines at least one pair of poles arranged on a rotor surface of said air gap, the stack comprising a first elementary stratum defining the bottom of the stack and at least one upper elementary stratum superimposed on said first elementary stratum, each upper elementary stratum being angularly offset by an
  • the stacked elementary layers are sheet metal elements.
  • the stacked elementary layers are layers linked by sintering or by an additive manufacturing technique.
  • each stacked elementary layer has a thickness of between 0.1 mm and 1 mm along the axis.
  • Each elementary layer can be made of a massive material.
  • each elementary stratum of the rotor comprises a superposition of sheet metal elements without angular offset between respective sheet metal elements relative to the central axis.
  • the rotor is arranged inside a central recess of the stator.
  • stator is arranged inside a central recess of the rotor.
  • the invention also relates to a system for measuring an angle and/or a rotation speed, comprising
  • a data processing system configured to calculate, from the electrical voltages measured by the electrical voltage detector, an angle of rotation of the rotor.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a variable reluctance resolver, comprising the following steps:
  • a stator comprising, on a stator face intended to form an air gap with a rotor, teeth comprising a plurality of teeth, said teeth being arranged so that two consecutive teeth along the teeth form an angle toothing relative to a central axis
  • at least two elementary layers of a rotor each elementary layer having an identical geometry in a plane perpendicular to the central axis and comprising, on a rotor face intended to delimit an air gap (40) with the stator face of the stator, at least o a zone set back from a mean circle around the central axis, said zone delimiting a zone of maximum width of said air gap and o a zone projecting from a mean circle around the central axis the central axis, said zone delimiting a zone of minimum width of said air gap,
  • Each elementary stratum may present on its rotor face intended to delimit the air gap with the stator face of the stator a plurality of pairs of poles or an eccentric structure relative to the central axis X.
  • the invention also relates to a method for measuring an angle and/or a speed of rotation comprising the following steps:
  • Figure 1 illustrates a variable reluctance resolver comprising a central rotor and an annular stator placed coaxially around the rotor.
  • Figure 2 illustrates a variable reluctance resolver comprising a central stator surrounded by a rotor comprising an interior hollow.
  • Figure 3 is a perspective view of a rotor formed by stacking elementary sheets.
  • Figure 4 is a perspective view of a rotor comprising a stack of two massive elementary layers.
  • Figure 5A shows a variable reluctance resolver comprising a central rotor defining two axisymmetric poles with respect to the central axis X.
  • Figure 5B shows a variable reluctance resolver comprising a central rotor defining three axisymmetric poles with respect to the central axis X.
  • Figure 5C shows a variable reluctance resolver comprising a central rotor defining four axisymmetric poles with respect to the central axis X.
  • Figure 5D shows a variable reluctance resolver comprising a central stator and an outer rotor defining two pairs of poles.
  • Figure 5E shows a variable reluctance resolver comprising a central stator and an outer rotor defining a single pair of poles.
  • Figure 5F shows a variable reluctance resolver comprising a central rotor and an outer stator defining a single pair of poles
  • Figure 6 is a graph of the position error due to the tooth harmonic for a known resolver and a resolver according to the invention.
  • Figure 7A a line of poles of the same rank on a rotor surface of a known rotor.
  • Figure 7B illustrates a line of poles of the same rank on a rotor surface of a rotor according to one embodiment of the invention.
  • Figure 8 shows the excitation voltage and the voltages measured on the sensing coils as a function of the rotor rotation angle.
  • the resolver 10 comprises a rotor 20 and a stator 30 arranged coaxially with respect to a central axis freely rotatable relative to the central X axis of the resolver.
  • the resolver 10 comprises a central stator 30 having an essentially circular geometry, and a freely rotating rotor 20 surrounding the stator 20. The central axis central of the stator 30 and the axis of rotation of the rotor 20.
  • stator 30 and the rotor 20 are separated by an air gap 40 delimited by a stator surface 34 and a rotor surface 24 opposite said stator surface 34.
  • the stator like the rotor are magnetic circuits generally formed from a stack of sheets of ferromagnetic material, with the interposition of an electrical insulator between each sheet of a stack, for example an insulating glue.
  • the rotor and/or the stator are formed by additive manufacturing in a ferromagnetic material, with electrically insulating layers interposed between ferromagnetic elementary layers.
  • variable reluctance resolver 10 may comprise a housing and/or a holding system allowing the rotation of the rotor 20 relative to the stator 30 around the central axis X.
  • the stator 30 has a geometry that is symmetrical in revolution with respect to the central axis X.
  • the section of the stator perpendicular to the central axis an external stator.
  • the stator 30 comprises a stack of several elementary layers stacked coaxially along the central axis X with a dielectric layer interposed between two successive layers in order to avoid electric currents by induction.
  • the stator comprises a pack of sheets of ferromagnetic material stacked with a dielectric layer interposed between two successive sheets.
  • the stator 30 is made of a solid material, in one or more slices in the direction of the central axis X and comprises, where appropriate, a dielectric layer between two successive slices.
  • the stator 30 comprises elementary layers manufactured for example by a sintering or additive manufacturing process.
  • the elementary layers of the stator 30 are typically made of a ferromagnetic material having low hysteresis cycles, for example an alloy comprising iron and nickel.
  • the stator surface 34 is provided with teeth comprising a plurality of teeth 31.
  • the teeth 31 are preferably arranged in the radial direction relative to the central axis the circular or annular portion of the stator 30, said thin portion being able to support one or more windings 32, 33.
  • the end of each tooth 31 towards the air gap is advantageously wider, forming a stop to hold the windings 32, 33 in place.
  • the teeth 31 are typically formed in the sheets or elementary layers forming the stator 30.
  • the teeth 31 are arranged in symmetry of revolution with respect to the central axis comprising 10 teeth, the angle 0D is equal to 36°.
  • the number of teeth is typically between 8 and 20, thus forming 0D angles of between 45° and 18°.
  • the stator 30 comprises an excitation winding 32 and one or more detection windings 33 arranged on the teeth of the gearing.
  • the windings 32, 33 are made of an electrically conductive wire, for example a copper wire, carrying electrical insulation.
  • the ends of the excitation coil 32 may be electrically linked to an alternating power source, generally an alternating electrical voltage generator or a sinusoidal current generator, and the ends of each detection coil 33 may be electrically linked to a detector Of voltage.
  • the detection windings 33 are arranged on the teeth so that the output voltages of the detection windings 33 are sinusoidal and cosinusoidal waveform signals phase shifted, for example by 90°. This phase shift makes it easy to measure an angular position, which makes it possible to deduce a speed from a variation in the air gap due to the rotation of the rotor.
  • the number of turns of the excitation and detection windings on each tooth is chosen so that, when the rotor rotates, excitation by the voltage or current generator creates an induced voltage in the sinusoidal-shaped detection windings or cosine as a function of the angular position.
  • the rotor 20 is coaxial with the stator 30 and freely rotatable relative to the stator 30 around the central axis X.
  • the rotor 20 comprises a stack of several elementary layers 25, 26 stacked coaxially along the central axis X.
  • the elementary layers 25, 26 of the rotor 20 are identical, that is to say that they have the same shape and the same thickness.
  • the elementary layers 25, 26 can be easily manufactured by the same device for easier and faster manufacturing.
  • identical elementary layers 25, 26 are easier to stack regularly.
  • the elementary layers 25, 26 of the rotor 20 are typically made of a ferromagnetic material having low hysteresis cycles, for example an alloy comprising iron and nickel.
  • the rotor In the case of a central rotor, the rotor typically has a circular recess in the center. This recess can be provided with a key or a notch (not shown) for indexing the original position of the rotating system.
  • the rotor surface 24 delimiting the air gap 40 formed between the rotor 20 and the stator 30 has on its periphery a succession of projecting zones alternating with recessed zones, in the radial direction defining a periodic succession of maxima 21 M, 21 'M air gap width alternating with minimum 21 m, 21 'm air gap width determining as many pairs of poles (by analogy with pairs of north and south poles of a magnet).
  • the projecting area forms an area of the air gap having a minimum width of 21 m
  • the recessed area forms an area of the air gap having a maximum width of 21 m relative to the other areas of the air gap.
  • CM For each section of a rotor, we can define an average circle CM having the same area as the cutting plane of the rotor in the case of the central rotor, and the same area as the interior hollow in the case of an exterior rotor.
  • the protruding and recessed areas are to be understood in relation to this average circle.
  • the protruding zone corresponds to the major axis of the ellipse and the recessed zone corresponds to the minor axis of the ellipse.
  • the protruding zone corresponds to the edge near the minor axis of the ellipsoidal hollow, and the recessed zone to the edge at the level of the major axis of the ellipsoidal hollow.
  • the rotor comprises an eccentric structure relative to the central axis X defining a single pair of poles.
  • the protruding zone is to be understood as being the portion of the rotor furthest from the central axis and the central axis X is minimal.
  • the protruding zone is therefore the zone in which the rotor comes closest to the central stator, and the recessed zone is to be understood as the zone in which the distance between the surface of the rotor and the stator is maximum.
  • each elementary stratum 25, 26 of the respective rotor 20 are angularly offset with respect to the protruding zones and the recessed zones of the adjacent elementary strata.
  • An elementary layer 25, 26 of the rotor 20 can be thin, for example with a thickness of between 100 and 500 pm. In this case, a multitude of elementary layers is stacked to form the rotor, for example between 5 and 100 elementary layers in order to achieve a thickness of the rotor 20 of between 2 and 10 mm.
  • a thin elementary layer 25, 26 is for example an elementary sheet cut from a sheet of ferromagnetic sheet metal, for example by stamping. In this case, as illustrated in Figure 3, the elementary sheets forming the rotor 20 are stacked along the central axis and recessed areas.
  • a thin elementary layer 25, 26 can be an elementary layer in an additive manufacturing process, or a thickness of a material intended to be linked to other successive thicknesses by a sintering process.
  • an elementary layer 25, 26 can have a thickness greater than that of an elementary sheet.
  • an elementary layer 25, 26 comprises a stack of elementary sheets, preferably identical. In this case, the sheets in each elementary layer are stacked flush with the surface, without offset or twist between the respective elementary sheets.
  • one or more elementary layers 25, 26 can be formed in a massive ferromagnetic material, for example an IronNickel alloy, by a machining or molding process.
  • a rotor 20 comprising two such elementary layers 25, 26 having a certain thickness is illustrated in Figure 4.
  • each elementary stratum 25, 26 comprises the same number m of projecting zones corresponding to vertices, and of recessed zones corresponding to valleys on the rotor face 24 of the air gap 40.
  • the zones of the vertices make projects radially in the direction of the air gap. Beyond 2 poles, recessed areas (valleys) are formed between adjacent protruding areas (summits).
  • the rotor surface comprises a succession of periodically alternating peaks and valleys in the circumferential direction.
  • the projecting zones and the recessed zones of each respective elementary stratum 25, 26 are typically arranged symmetrically in revolution around the central axis X, that is to say in periodic succession.
  • Figures 5A to 5F illustrate the geometry of a respective single elementary stratum in the plane of the rotor stack for different rotor configurations. The position and geometry of the stator are indicated for the understanding of these figures.
  • each elementary stratum 25, 26 of the rotor 20A can have the shape of an oval or ellipse whose two vertices correspond to the two minimum widths of the air gap , the two recessed zones corresponding to the two maximum widths, the whole defining two pairs of poles P and P'.
  • the pair of poles P includes a maximum of 21'AM of air gap width and a minimum of 21'Am of air gap width
  • the pair of poles P' includes a maximum of 21'AM of airgap width and a minimum of 21'Am of air gap width.
  • the two pairs of poles are offset by 180° on the surface of the elementary stratum 20A of the rotor.
  • Such an elementary stratum of the rotor 20B can have a symmetry of revolution at 120°.
  • Such a rotor comprises three pairs of poles: a pair of poles P comprising the maximum 21 BM and the minimum 21 Bm, a pair P4 comprising the maximum 21 'BM and the minimum 21 'Bm and a third pair P” comprising the maximum 21 'Bm BM and the minimum 21”Bm.
  • the three maximum widths of the air gap 21 BM, 21 'BM and 21 ”BM are arranged on the vertices of a first equilateral triangle, and the three minimum widths of the air gap 21 Bm, 21 'Bm and 21 ” Bm on the vertices of a second equilateral triangle in the opposite direction to the first triangle.
  • the symmetry of revolution can be 90°, defining four pairs of poles P, P', P” and P equidistant on the contour of the elementary stratum 20C of the rotor.
  • the pairs are defined equivalently to those of the 3 pairs of poles and include the maxima 21 CM, 21 C'M, 21 ”CM and 21 ”CM and the minima 21 Cm, 21 'Cm, 21 ”Cm and 21 ” 'Cm.
  • Elementary strata presenting a higher number of pole pairs have equivalent geometries, the zones in protruding and recessed being arranged symmetrically around the periphery of the elementary stratum of the rotor.
  • each elementary layer of the rotor 20 has a generally annular shape, having recessed areas and areas projecting relative to the average circle CM in the direction of the air gap 40.
  • the interior hollow is arranged centrally and symmetrically around the central axis X which corresponds to the central axis of the outer perimeter of the rotor.
  • the interior hollow of an elementary stratum 20B of the rotor may have an oval or ellipse shape.
  • the two vertices of the ellipse correspond to two areas set back from the average circle on the interior surface of the elementary stratum.
  • These hollow vertices 21 DM and 21 'DM delimit the zones in which the air gap is maximum.
  • the projecting zones 21 Dm and 21 'Dm relative to the average circle CM are arranged at the ends of the minor axis of the ellipse and delimit the zones in which the air gap is minimal.
  • the axes of the ellipse define two poles P comprising a maximum 21 DM and a minimum 21 Dm and P' comprising a maximum 21 'DM and 21 'Dm.
  • the pairs of poles P and P’ are offset by 180° on the inner periphery of the hollow.
  • an interior hollow of such an elementary stratum can present a geometry of revolution around the axis of rotation defining 3, 4 or more axisymmetric and equidistant poles around the periphery of the central hollow .
  • the interior hollow is typically an eccentric circle comprising a zone 21 EM delimiting a maximum zone of the air gap, and a zone 21 Em delimiting a minimum zone of the air gap.
  • the stator 30 is placed in a central axis X which corresponds to the center of the outer perimeter of the rotor 20E.
  • the position and size of the eccentric hollow are chosen so as to create sufficient space around the central axis , the off-centering of the circular hollow relative to the average circle CM defines the position of the poles.
  • FIG. 5F illustrates the case of an internal rotor having a single pole.
  • each elementary stratum is circular, the axis of rotation X of the rotor being eccentric with respect to the center C of the circle of the elementary stratum.
  • This eccentricity defines a pole 21 FM corresponding to the maximum air gap, and a pole 21 Fm corresponding to the minimum air gap.
  • an elementary base layer 25 which can be a thin thickness such as an elementary sheet or a first layer in an additive manufacturing process, or a elementary layer having a greater thickness, for example a pack of sheets, a superposition of several layers in additive manufacturing, or an elementary layer of a solid material obtained from a solid material, for example by machining.
  • an average circle CM which corresponds, in the case of a central rotor, o a circle whose center passes through the central axis of the rotor and whose area is equal to the area of the elementary stratum perpendicular to said axis central air gap between the rotor 20 and the stator 30 of the resolver to be manufactured.
  • a second elementary stratum 26 is then stacked on said elementary bottom stratum 25.
  • the second elementary stratum is angularly offset relative to the elementary stratum of the bottom with respect to the central axis of the stack.
  • the central axis corresponds to the center of the rotor 20.
  • the central axis of each elementary stratum 25, 26 in the case of an external rotor 20, the central axis of each elementary stratum 25, 26.
  • the elementary layers 25, 26 of the rotor are rigidly joined together, for example by bonding, sintering or manufacturing from a single piece.
  • the fixing of the elementary layers 25, 26 can be carried out during the stacking of each respective elementary layer 25, 26, and/or after finalization of the stacking.
  • the elementary layers 25, 26 of the rotor rotate together during operation of the variable reluctance resolver 10.
  • the offset angle 0p is defined between two directly adjacent elementary strata 25, 26.
  • the angle 0p corresponds to the smallest angle formed between a pole 21 defined by an elementary layer 25, 26 of the rotor 20, and a pole 21 formed by an adjacent elementary layer 25, 26 of the rotor 20.
  • the offset angle 0p between two elementary layers 25, 26 of the rotor 20 is chosen as a function of the tooth angle 0D of the stator 30 and the total number N of the elementary layers 25, 26 of the rotor.
  • the offset angle 0p is equal to the toothing angle 0D multiplied by (N-1)/N, N being the number of elementary layers 25, 26 of the rotor 20:
  • the poles 21 of the different elementary layers 25, 26 are distributed regularly over the space between two consecutive teeth 31 of the stator 30, or in the area around a tooth 31, without passing in front of the adjacent tooth 31.
  • Such a distribution of the pole 21 over part of the circumference of the rotor 20 makes it possible to reduce the effect of the passage of the pole 21 in front of a tooth 31 of the stator 30 and the electrical signal associated with this passage.
  • the offset angle 0p between the elementary layer of the bottom 25 and the upper elementary layer 26 of the stack corresponds to half of the tooth angle 0D.
  • the pole 21 closest to the upper elementary layer 26 is located in the middle between the same tooth 31 and the adjacent tooth 31.
  • Figure 6 is a graph of the rotor position error in ° versus the rotor angular position in °.
  • this error corresponds to the tooth harmonic. In one example, this error varies between 0.2° and -0.2°.
  • curve 6B comprising layers elementary 25, 26 angularly offset according to equation (1), the tooth harmonic is eliminated and the position error is negligible.
  • Figure 7A shows a front view of a portion of a known rotor at the level of a line of poles of the same rank on a rotor surface of the air gap.
  • the poles of the elementary strata form a line of poles 71 corresponding to a maximum (for an outer rotor) or a minimum (for a central rotor) of width of the air gap.
  • Such a line of poles 71 corresponds to a guideline parallel to the central axis X, all the poles are therefore directly superimposed without angular offset.
  • a line of poles of the same rank of such a rotor corresponds to all the points having the same radial and angular coordinates, that is to say only the altitude in the stack varies for the poles respective elementary strata. As the rotor rotates, all points on a line of poles pass a stator tooth simultaneously.
  • Figure 7B illustrates a line of poles 70 of the same rank on a rotor surface of a rotor according to a possible embodiment of the invention.
  • the poles of the respective elementary strata exhibit a pseudo-continuous angular shift.
  • the line 70 formed by such poles traces a spiral shape on the rotor surface of the air gap.
  • the set of points of a line 70 of poles of the same rank always corresponds to a set of points having the same radial coordinates, but these points present an offset in the angular coordinates.
  • the altitude and angular position of the poles varies pseudo-continuously in the stack varies for the poles of the respective elementary strata. Consequently, when the rotor rotates around the central axis
  • a system for measuring an angle and/or a speed of rotation comprises a resolver according to the invention, a source of alternating electrical voltage electrically linked to the excitation winding of the stator, and a device for detecting electrical voltage resolved in the time to detect the signal at the stator detection windings.
  • the measurement system further includes a signal receiving and processing device configured to calculate a speed and an angle of rotation.
  • a signal receiving and processing device configured to calculate a speed and an angle of rotation.
  • Such a device measures a time-resolved electrical voltage for each detection coil.
  • It includes a computer tool configured to analyze the electrical signal measured on the detection coils for monitoring the angular position of the rotor and to calculate an angle and/or an angular speed from the detection curves.
  • Figure 8 shows the excitation signal applied to the excitation winding of the stator (curve 8A) and the signal from a sinus detection winding (curve 7B) and a detection winding called cosine having a phase shift of 90° by compared to the sinus detection winding (curve 8C).
  • the excitation signal is a regular alternating voltage, at a frequency typically between 2 and 20 kHz.
  • Each detection signal corresponds to a sinusoidal curve corresponding to the passage of a pole of the rotor in front of the corresponding winding of the stator, modulated by the frequency of the excitation signal.
  • the frequency of the enveloping sinusoidal is therefore the rotation frequency of the rotor, divided by the number of poles.
  • the phase shift between the different curves makes it possible to calculate the angular position of the rotor.
  • the detection signal further comprises a position error as illustrated in curve 6A of Figure 6.
  • the Angular position error due to the tooth harmonic is greatly reduced or even eliminated.
  • the speed and angle of rotation can be determined with improved accuracy.
  • Such an angular position error due to the harmonic of rank N is caused by the passage of all the rotor poles at a single instant in front of the stator teeth.
  • the passage of the poles 21 of the same rank in front of each tooth 31 of the stator takes place offset in time, in connection with their angular offset.
  • the offset creates an average of errors related to the physical system.
  • the measured result corresponds to the average of all these angles read at the same time.
  • the pole lines 21 of the same row of the other portions of the rotor 26 are located at intermediate positions between two adjacent teeth 31.
  • Errors with a high order harmonic can have important consequences when trying to obtain the speed of the system. By eliminating them by smoothing the passage of the poles in front of the teeth, using a rotor 20 according to the invention, it is possible to produce resolvers with high precision.
  • the resolver 10 according to the invention is in particular used in the case of applications in the field of aeronautics, for monitoring an angle of equipment of an aircraft, in particular for monitoring rotation positions of electric motor for small or medium power actuators, and more generally for monitoring any rotating system (optronic systems with electric motor, wheel rotation, ventilation, etc.). It can also be used as a sensor to send back position information (throttles, flaps, ailerons, etc.).

Landscapes

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

L'invention concerne un résolveur à réluctance variable (10), comprenant un rotor (20) et un stator (30) coaxial avec ledit rotor (20), ledit stator (30) comprenant une pluralité de dents (31), deux dents (31) consécutives formant un angle de denture (ΘD), ledit rotor (20) comprenant un empilement de strates élémentaires empilés de manière coaxiale le long d'un axe central (X), caractérisé en ce que chaque strate élémentaire définit au moins une paire de pôles (21M, 21m) l'empilement comprenant une première strate élémentaire (25) définissant le fond de l'empilement et au moins une strate élémentaire supérieure (26) superposée sur ladite première strate élémentaire (25), chaque strate élémentaire supérieure (26) étant angulairement décalée d'un angle de décalage (ΘP) autour de l'axe central (X) par rapport à la strate élémentaire sous-jacente, l'angle de décalage (ΘP) étant égal à l'angle de denture (ΘD) multiplié par (N- 1)/N, N étant le nombre de strates élémentaires (25, 26) empilées.

Description

RESOLVEUR A RELUCTANCE VARIABLE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un résolveur à réluctance variable.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un résolveur à reluctance variable est un type de capteur permettant de mesurer précisément l'angle de rotation de tout système rotatif. On peut notamment les retrouver dans toutes les machines présentant des moteurs électriques, par exemple les actionneurs aéronautiques ou des systèmes optroniques. Un résolveur à reluctance variable peut également être utilisé comme capteur pour renvoyer une information de position (par exemple, les manettes de gaz, les volets, les ailerons).
Un résolveur à reluctance variable comprend une partie rotative, appelée rotor, et une partie fixe appelée stator. Lesdites parties sont agencés de manière concentrique, soit sous la forme d’un rotor central et un stator annulaire placé de manière coaxiale autour du rotor, soit sous la forme d’un stator central entouré par un rotor comprenant un creux intérieur. Dans chaque configuration, un entrefer est formé entre le rotor et le stator.
Le rotor présente typiquement une symétrie de rotation autour de l’axe commun avec le stator et une géométrie telle que la largeur de l’entrefer délimitée entre la surface rotorique et la surface statorique en vis-à-vis varie périodiquement entre une valeur maximale et une valeur minimale. Pour un rotor central, chaque valeur maximale de l’entrefer correspond à une ligne de creux sur la surface rotorique de l’entrefer, et chaque valeur minimale de l’entrefer correspond à une ligne de crête sur ladite surface rotorique. Pour un rotor extérieur, chaque valeur minimale de l’entrefer correspond à une ligne de creux sur la surface rotorique de l’entrefer, et chaque valeur maximale de l’entrefer correspond à une ligne de crête sur ladite surface rotorique Ainsi, lorsque le rotor tourne, la variation périodique de largeur d’entrefer est détectée et indique l’angle de rotation du rotor.
Le nombre de crêtes et le nombre de creux est identique. Chaque paire de crête et de creux forme une paire de pôles correspondant à une largeur minimale et une largeur maximale de l’entrefer. Le stator comporte une denture formée par un nombre pair de dents faisant saillie en direction de l’entrefer. Ladite denture porte des bobinages en fil électriquement conducteur, de sorte que chaque bobinage soit enroulé autour des dents. L’ensemble des bobinages comprend un bobinage d’excitation sur lequel une tension électrique alternative à une fréquence de quelques kHz est appliquée, et au moins deux bobinages de détection d’angle aux extrémités desquelles on mesure une tension électrique. On pourra avoir plus de deux bobinages de détection, par exemple pour assurer la redondance de l’information. Le signal mesuré sur un bobinage de détection correspond essentiellement à une courbe sinusoïdale modulée par la fréquence d’excitation.
Cependant, le signal détecté au niveau des bobinages de détection présente une harmonique de denture qui correspond à une modulation à chaque fois qu’un pôle du rotor passe devant une dent du stator. Cette modulation par l’harmonique de denture complique le traitement du signal détecté et est néfaste pour la précision du résolveur.
Un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor et un stator coaxial avec le rotor est par exemple enseigné par le document US 2013/193957 A1.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer un résolveur à réluctance variable permettant de supprimer les signaux d’harmonique de denture dus au passage des pôles du rotor devant chaque dent de la denture du stator.
A cet effet, l’invention propose un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor et un stator coaxial avec ledit rotor par rapport à un axe central, ledit rotor et ledit stator étant séparés par un entrefer, ledit stator comportant une surface statorique dotée d’une denture comprenant une pluralité de dents faisant saillie en direction dudit entrefer, lesdites dents étant disposées de sorte que deux dents consécutives le long de la denture forment un angle de denture par rapport à l’axe central, ledit rotor comprenant un empilement de strates élémentaires empilées (25, 26) de manière coaxiale à l’axe central, chaque strate élémentaire présentant une géométrie identique dans un plan perpendiculaire à l’axe central, caractérisé en ce que, chaque strate élémentaire définit au moins une paire de pôles agencées sur une surface rotorique dudit entrefer, l’empilement comprenant une première strate élémentaire définissant le fond de l’empilement et au moins une strate élémentaire supérieure superposée sur ladite première strate élémentaire, chaque strate élémentaire supérieure étant angulairement décalée d’un angle de décalage autour de l’axe central par rapport à la strate élémentaire sous-jacente, l’angle de décalage étant égal à l’angle de denture multiplié par (N-1 )/N, N étant le nombre de strates élémentaires empilées. De préférence, le rotor comprend m paires de pôles disposés à symétrie de révolution par rapport à l’axe central, m étant un nombre entier.
Dans certains modes de réalisation, les strates élémentaires empilées sont des éléments en tôle.
Dans d’autres modes de réalisation, les strates élémentaires empilées sont des couches liées par frittage ou par une technique de fabrication additive.
Dans certains modes de réalisation, chaque strate élémentaire empilée présente une épaisseur comprise entre 0.1 mm et 1 mm le long de l’axe.
Chaque strate élémentaire peut être en un matériau massif.
De manière alternative, chaque strate élémentaire du rotor comprend une superposition d’éléments en tôle sans décalage angulaire entre éléments en tôle respectifs par rapport à l’axe central.
Dans certains modes de réalisation, le rotor est agencé à l’intérieur d’un creux central du stator.
Dans d’autres modes de réalisation, le stator est agencé à l’intérieur d’un creux central du rotor.
L’invention se rapporte aussi à un système de mesure d’un angle et/ou une vitesse de rotation, comprenant
• un résolveur à réluctance variable tel que décrit ci-dessus,
• un générateur de tension électrique alternative en liaison électrique avec les extrémités du bobinage d’excitation,
• un détecteur de tension électrique résolu dans le temps en liaison électrique avec les extrémités de chaque bobinage de détection,
• un système de traitement de données configuré de calculer, à partir des tensions électriques mesurés par le détecteur de tension électrique un angle de rotation du rotor.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un résolveur à réluctance variable, comprenant les étapes suivantes :
• la mise à disposition d’un stator comportant, sur une face statorique destinée à former un entrefer avec un rotor, une denture comprenant une pluralité de dents, lesdits dents étant disposées de sorte que deux dents consécutives le long de la denture forment un angle de denture par rapport à un axe central, • la mise à disposition d’au moins deux strates élémentaires d’un rotor, chaque strate élémentaire présentant une géométrie identique dans un plan perpendiculaire à l’axe central et comportant, sur une face rotorique destinée à délimiter un entrefer (40) avec la face statorique du stator, au moins o une zone en retrait par rapport à un cercle moyen autour de l’axe central, ladite zone délimitant une zone de largeur maximale dudit entrefer et o une zone en saillie par rapport à un cercle moyen autour de l’axe central, ladite zone délimitant une zone de largeur minimale dudit entrefer,
• la définition d’une strate élémentaire de fond,
• l’empilement d’au moins une deuxième strate élémentaire de manière coaxiale par rapport à l’axe central sur la strate élémentaire de fond, de sorte que chaque strate élémentaire soit décalée angulairement par rapport à une strate élémentaire sous- jacente d’un angle de décalage étant égal à l’angle de denture multiplié par (N-1 )/N, N étant le nombre de strates élémentaires empilées,
• la fixation des strates élémentaires empilées pour former le rotor,
• l’emboitement concentrique du rotor et du stator de sorte à former un entrefer entre la face statorique du stator et la face rotorique du rotor.
Chaque strate élémentaire peut présenter sur sa face rotorique destinée à délimiter l’entrefer avec la face statorique du stator une pluralité de paires de pôles ou une structure excentrique par rapport à l’axe central X.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de mesure d’un angle et/ou d’une vitesse de rotation comprenant les étapes suivantes :
• la mise à disposition d’un résolveur à reluctance tel que décrit ci-dessus,
• l'application d’une tension d’excitation à un bobinage d’excitation porté par la denture,
• la rotation du rotor relatif au stator autour de l’axe central,
• la détection d’une tension de détection résolue dans le temps aux extrémités d’au moins un bobinage de détection porté par la denture,
• le calcul, à partir de la tension de détection résolue dans le temps, d’un angle et/ou d’une vitesse de rotation. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 illustre un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor central et un stator annulaire placé de manière coaxiale autour du rotor.
La figure 2 illustre un résolveur à réluctance variable comprenant un stator central entouré par un rotor comprenant un creux intérieur.
La figure 3 est une vue en perspective d’un rotor formé par empilement de tôles élémentaires.
La figure 4 est une vue en perspective d’un rotor comprenant un empilement de deux strates élémentaires massives.
La figure 5A montre un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor central définissant deux pôles axisymétriques par rapport à l’axe central X.
La figure 5B montre un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor central définissant trois pôles axisymétriques par rapport à l’axe central X.
La figure 5C montre un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor central définissant quatre pôles axisymétriques par rapport à l’axe central X.
La figure 5D montre un résolveur à réluctance variable comprenant un stator central et un rotor extérieur définissant deux paires de pôles.
La figure 5E montre un résolveur à réluctance variable comprenant un stator central et un rotor extérieur définissant une seule paire de pôles.
La figure 5F montre un résolveur à réluctance variable comprenant un rotor central et un stator extérieur définissant une seule paire de pôles
La figure 6 est un graphe de l’erreur de position en raison de l’harmonique de denture pour un résolveur connu et un résolveur selon l’invention.
La figure 7A une ligne de pôles de même rang sur une surface rotorique d’un rotor connu.
La figure 7B illustre une ligne de pôles de même rang sur une surface rotorique d’un rotor selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 8 montre la tension d’excitation et les tensions mesurées sur les bobines de détection en fonction de l’angle de rotation du rotor. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
Résolveur à réluctance variable
Le résolveur 10 comporte un rotor 20 et un stator 30 agencés de manière coaxiale par rapport à un axe central X. Dans un premier mode de réalisation, en référence à la figure 1 , le stator 30 présente une géométrie annulaire et le rotor 20 est agencé librement rotatif par rapport à l’axe X central du résolveur. De manière alternative, en référence à la figure 2, le résolveur 10 comprend un stator 30 central présentant une géométrie essentiellement circulaire, et un rotor 20 en rotation libre entourant le stator 20. L’axe central X du résolveur est identique avec l’axe central du stator 30 et l’axe de rotation du rotor 20.
Le stator 30 et le rotor 20 sont séparés par un entrefer 40 délimité par une surface statorique 34 et une surface rotorique 24 opposée à ladite surface statorique 34.
De manière connue, le stator comme le rotor sont des circuits magnétiques généralement formés d’un empilage de tôles en matériau ferromagnétique, avec interposition d’un isolant électrique entre chaque tôle d’un empilement, par exemple une colle isolante. De manière alternative et également connue, le rotor et/ou le stator sont formés par fabrication additive en un matériau ferromagnétique, avec des couches électriquement isolantes interposées entre des couches élémentaires ferromagnétiques.
En outre du rotor 20 et du stator 30, le résolveur à réluctance variable 10 peut comprendre un boîtier et/ou un système de maintien permettant la rotation du rotor 20 par rapport au stator 30 autour de l’axe central X.
Description du stator
Le stator 30 présente une géométrie symétrique en révolution par rapport à l’axe central X. La section du stator perpendiculaire à l’axe central X a typiquement une forme circulaire dans le cas d’un stator central, ou annulaire dans le cas d’un stator extérieur. Typiquement, le stator 30 comprend un empilement de plusieurs strates élémentaires empilées de manière coaxiale le long de l’axe central X avec une couche diélectrique interposée entre deux strates successives afin d’éviter des courants électriques par induction. Par exemple, le stator comprend un paquet de tôles en matériau ferromagnétique empilées avec une couche diélectrique interposée entre deux tôles successives. De manière alternative, le stator 30 est en un matériau massif, en une ou plusieurs tranches dans le sens de l’axe central X et comporte, le cas échéant, une couche diélectrique entre deux tranches successives. Dans certains cas, le stator 30 comporte des couches élémentaires fabriquées par exemple par un procédé de frittage ou de fabrication additive. Les strates élémentaires du stator 30 sont typiquement en un matériau ferromagnétique présentant de faibles cycles d’hystérésis, par exemple un alliage comprenant du fer et du nickel.
La surface statorique 34 est dotée d’une denture comprenant une pluralité de dents 31 . Les dents 31 sont de préférence agencées en direction radiale par rapport à l’axe central X et font saillie en direction de l’entrefer 40 entre le rotor 20 et le stator 30. Typiquement, chaque dent 31 comprend une portion plus fine en liaison avec la portion circulaire ou annulaire du stator 30, ladite portion fine pouvant supporter un ou plusieurs bobinages 32, 33. L’extrémité de chaque dent 31 en direction de l’entrefer est avantageusement plus large, formant une butée pour maintenir les bobinages 32, 33 en place. Les dents 31 sont typiquement formées dans les tôles ou couches élémentaires formant le stator 30.
Les dents 31 sont agencées en symétrie de révolution par rapport à l’axe central X. Deux dents 31 consécutives le long de la denture forment entre elles un angle de denture 0D par rapport à l’axe central X. Par exemple, pour une denture comprenant 10 dents, l’angle 0D est égal à 36°. Le nombre de dents est typiquement compris entre 8 et 20, formant ainsi des angles 0D compris entre 45° et 18°.
Le stator 30 comporte un bobinage d’excitation 32 et un ou plusieurs bobinages de détection 33 agencés sur les dents de la denture. Les bobinages 32, 33 sont en un fil électriquement conducteur, par exemple un fil en cuivre, portant une isolation électrique. Les extrémités du bobinage d’excitation 32 peuvent être électriquement liées à une source d’alimentation alternative, généralement un générateur de tension électrique alternative ou un générateur de courant sinusoïdal, et les extrémités de chaque bobinage de détection 33 peuvent être électriquement liées à un détecteur de tension.
Les bobinages de détection 33 sont agencés sur la denture de sorte que les tensions en sortie des bobinages de détection 33sont des signaux de forme d’ondes sinusoïdale et cosinusoïdale déphasés, par exemple de 90°. Ce déphasage permet de facilement mesurer une position angulaire, ce qui permet d’en déduire une vitesse d’une variation de l’entrefer en raison de la rotation du rotor. Le nombre de tours des bobinages d’excitation et de détection sur chaque dent est choisie de sorte que, lors de la rotation du rotor, une excitation par le générateur de tension ou de courant crée une tension induite dans les bobinages de détection de forme sinusoïdale ou cosinusoidale en fonction de la position angulaire.
Description du rotor
Le rotor 20 est coaxial avec le stator 30 et librement rotatif par rapport au stator 30 autour de l’axe central X. Le rotor 20 comprend un empilement de plusieurs strates élémentaires 25, 26 empilées de manière coaxiale le long de l’axe central X. De préférence, les strates élémentaires 25, 26 du rotor 20 sont identiques, c’est-à-dire qu’elles présentent la même forme et la même épaisseur. Ainsi, les strates élémentaires 25, 26 peuvent être facilement fabriquées par le même dispositif pour une fabrication plus facile et plus rapide. En outre, des strates élémentaires 25, 26 identiques sont plus facile à empiler de manière régulière. Les strates élémentaires 25, 26 du rotor 20 sont typiquement en un matériau ferromagnétique présentant de faibles cycles d’hystérésis, par exemple un alliage comprenant du fer et du nickel.
Dans le cas d’un rotor central, le rotor comporte typiquement un évidement circulaire au centre. Cet évidement peut être pourvu d’une clavette ou d’une encoche (non représentée) pour l’indexation de la position d’origine du système rotatif.
La section du rotor 20 perpendiculaire à l’axe central X n’a typiquement pas une forme circulaire dans le cas d’un rotor central, ou parfaitement annulaire dans le cas d’un rotor extérieur, mais la géométrie de la section est choisie de telle sorte que la réluctance de l'intervalle entre le rotor et les bobinages du stator 1 varie de manière sinusoïdale. A cette fin, la surface rotorique 24 délimitant l’entrefer 40 formé entre le rotor 20 et le stator 30 présente sur son pourtour une succession de zones en saillie alternant avec des zones en retrait, dans la direction radiale définissant une succession périodique de maxima 21 M, 21 ’M de largeur de l’entrefer alternant avec des minima 21 m, 21 ’m de largeur d’entrefer déterminant autant de paires de pôles (par analogie avec des paires de pôles nord et sud d’un aimant).
La zone en saillie forme une zone de l’entrefer présentant une largeur minimale 21 m, et la zone en retrait forme une zone de l’entrefer présentant une largeur maximale 21 M par rapport aux autres zones de l’entrefer.
Pour chaque section d’un rotor, on peut définir un cercle moyen CM ayant la même aire que le plan de coupe du rotor dans le cas du rotor central, et la même aire que le creux intérieur dans le cas d’un rotor extérieur. Les zones en saillie et en retrait sont à comprendre par rapport à ce cercle moyen.
Par exemple dans le cas d’un rotor interne présentant une géométrie d’ellipse, la zone en saillie correspond au grand axe de l’ellipse et la zone en retrait correspond au petit axe de l’ellipse. Dans le cas d’un rotor extérieur présentant un creux ellipsoïdal, la zone en saillie correspond au bord en proximité du petit axe du creux ellipsoïdal, et la zone en retrait au bord au niveau du grand axe du creux ellipsoïdal. De manière alternative, le rotor comprend une structure excentrique par rapport à l’axe central X définissant une seule paire de pôles. Dans ce cas, la zone en saillie est à comprendre comme étant la portion du rotor la plus éloignée de l’axe central X. La zone en retrait est la portion opposée à la zone en saillie, dans laquelle la distance entre la circonférence du rotor et l’axe central X est minimale.
Pour un rotor extérieur présentant une seule paire de pôles, la zone en saillie est donc la zone dans laquelle le rotor s’approche au plus du stator central, et la zone en retrait est à comprendre comme la zone dans laquelle la distance entre la surface du rotor et le stator est maximale.
Les zones en saillie et les zones en retrait de chaque strate élémentaire 25, 26 du rotor 20 respective sont angulairement décalées par rapport aux zones de saillie et des zones en retrait des strates élémentaires adjacentes.
Une strate élémentaire 25, 26 du rotor 20 peut être fine, par exemple d’une épaisseur comprise entre 100 et 500 pm. Dans ce cas, une multitude de strates élémentaires est empilée pour former le rotor, par exemple entre 5 et 100 strates élémentaires afin d’atteindre une épaisseur du rotor 20 comprise entre 2 et 10 mm. Une strate élémentaire 25, 26 fine est par exemple une tôle élémentaire découpée d’une feuille de tôle ferromagnétique, par exemple par estampage. Dans ce cas, comme illustré dans la figure 3, les tôles élémentaires formant le rotor 20 sont empilées le long de l’axe central X et collées ensemble après l’ajustement de l’empilement axial et l’ajustement du décalage des zones en saillie et des zones en retrait. Dans d’autres modes de réalisation, une strate élémentaire 25, 26 fine peut être une couche élémentaire dans un procédé de fabrication additive, ou une épaisseur d’un matériau destiné à être liée à d’autres épaisseurs successives par un procédé de frittage.
De manière alternative, une strate élémentaire 25, 26 peut présenter une épaisseur plus importante que celle d’une tôle élémentaire. Par exemple, une strate élémentaire 25, 26 comprend un empilement de tôles élémentaires, de préférence identiques. Dans ce cas, les tôles dans chaque strate élémentaire sont empilées à fleur de surface, sans décalage ni torsion entre les tôles élémentaires respectives. Dans d’autres modes de réalisation, une ou plusieurs strates élémentaires 25, 26 peuvent être formées dans un matériau ferromagnétique massif, par exemple un alliage en FerNickel, par un procédé d’usinage ou de moulage. Un tel rotor 20 comportant deux telles strates élémentaires 25, 26 ayant une certaine épaisseur est illustré dans la figure 4. Dans un rotor 20, chaque strate élémentaire 25, 26 comporte le même nombre m de zones en saillie correspondant à des sommets, et de zones en retrait correspondant à des vallées sur la face rotorique 24 de l’entrefer 40. Les zones des sommets font saillie radialement dans la direction de l’entrefer. Au-delà de 2 pôles, des zones en retrait (vallées) sont formées entre les zones en saillie (sommets) adjacents. Autrement dit la surface rotorique comprend une succession de sommets et vallées en alternance périodique dans la direction circonférentielle. Les zones en saillie et les zones en retrait de chaque strate élémentaire 25, 26 respective sont typiquement agencées symétriques en révolution autour de l’axe central X, c’est-à-dire en succession périodique.
Les figures 5A à 5F illustrent la géométrie d'une strate élémentaire unique respective dans le plan de l’empilement du rotor pour différentes configurations de rotor. La position et géométrie du stator sont indiquées pour la compréhension de ces figures.
Dans le cas d’un rotor 20 central, en référence à la figure 5A, chaque strate élémentaire 25, 26 du rotor 20A peut présenter une forme d’ovale ou d’ellipse dont les deux sommets correspondant aux deux largeurs minimales de l’entrefer, les deux zones en retrait correspondant aux deux largeurs maximales, l’ensemble définissant deux paires de pôles P et P’. La paire de pôles P comprend un maximum 21AM de largeur d’entrefer et un minimum 21 Am de largeur d’entrefer, et la paire de pôles P’ comprend un maximum 21 ’AM de largeur d’entrefer et un minimum 21 ’Am de largeur d’entrefer. Les deux paires de pôles sont décalés de 180° sur la surface de la strate élémentaire 20A du rotor.
En référence à la figure 5B, une telle strate élémentaire du rotor 20B peut présenter une symétrie de révolution à 120°. Un tel rotor comprend trois paires de pôles : une paire de pôles P comprenant le maximum 21 BM et le minimum 21 Bm, une paire P4 comprenant le maximum21 ’BM et le minimum 21 ’Bm et une troisième paire P” comprenant le maximum 21 ”BM et le minimum 21 ”Bm. Les trois maximas de largeur de l’entrefer 21 BM, 21 ’BM et 21 ”BM sont agencés sur les sommets d’un premier triangle équilatéral, et les trois minimas de largeur de l’entrefer 21 Bm, 21 ’Bm et 21 ”Bm sur les sommets d’un deuxième triangle équilatéral à contresens par rapport au premier triangle.
De manière alternative, en référence à la figure 5C, la symétrie de révolution peut être de 90°, définissant quatre paires de pôles P, P’, P” et P équidistants sur le contour de la strate élémentaire 20C du rotor. Les paires sont définis de manière équivalente au ces des 3 paires de pôles et comprennent les maximas 21 CM, 21 C’M, 21 ”CM et 21 ”’CM et les minimas 21 Cm, 21 ’Cm, 21 ”Cm et 21 ”’Cm. Des strates élémentaires présentant un nombre plus élevé de paires pôles présentent des géométries équivalentes, les zones en saillie et en retrait étant agencées de manière symétrique sur le pourtour de la strate élémentaire du rotor.
Dans le cas d’un stator 30 central, chaque strate élémentaire du rotor 20 a une forme générale annulaire, présentant des zones en retrait et des zones en saillie par rapport au cercle moyen CM en direction de l’entrefer 40. Dans le cas de deux ou plus pôles, le creux intérieur est agencé de manière centrale et symétrique autour de l’axe central X qui correspond à l’axe central du périmètre extérieur du rotor.
Par exemple, en référence à la figure 5D, le creux intérieur d’une strate élémentaire 20B du rotor peut présenter une forme d’ovale ou d’ellipse. Les deux sommets de l’ellipse correspondent à deux zones en retrait par rapport au cercle moyen sur la surface intérieure de la strate élémentaire. Ces sommets creux 21 DM et 21 ’DM délimitent les zones dans lesquelles l’entrefer est maximal. Les zones en saillie 21 Dm et 21 ’Dm par rapport au cercle moyen CM sont agencées au niveau des extrémités du petit axe de l’ellipse et délimitent les zones dans lesquelles l’entrefer est minimal.
Ainsi, les axes de l’ellipse définissent deux pôles P comprenant un maximum 21 DM et un minimum 21 Dm et P’ comprenant un maximum 21 ’DM et 21 ’Dm. Les paires de pôles P et P’ sont décalés de 180° sur le pourtour intérieur du creux.
De manière équivalente aux formes d’un rotor central, un creux intérieur d’une telle strate élémentaire peut présenter une géométrie de révolution autour de l’axe de rotation définissant 3, 4 ou plus de pôles axisymétriques et équidistants sur le pourtour du creux central.
Dans le cas d’une seule paire de pôles P, en référence à la figure 5E, le creux intérieur est typiquement un cercle excentrique comprenant une zone 21 EM délimitant une zone maximale de l’entrefer, et une zone 21 Em délimitant une zone minimale de l’entrefer. Dans ce cas, le stator 30 est placé dans un axe central X qui correspond au centre du périmètre extérieur du rotor 20E. La position et la taille du creux excentrique sont choisies de sorte à créer un espace suffisant autour de l’axe central X pour le positionnement de stator 30 et la formation d’un entrefer 40 entre le rotor 20E et le stator 30. Dans ce cas, le décentrage du creux circulaire par rapport au cercle moyen CM définit la position des pôles.
La figure 5F illustre le cas d’un rotor intérieur présentant un seul pôle. Dans ce cas, chaque strate élémentaire est circulaire, l’axe de rotation X du rotor étant excentrique par rapport au centre C du cercle de la strate élémentaire. Cette excentricité définit un pôle 21 FM correspondant au maximum d’entrefer, et un pôle 21 Fm correspondant au minimum d’entrefer. Fabrication du rotor
Pour la fabrication d’un rotor 20 selon l’invention, on commence par la mise à disposition d’une strate élémentaire de fond 25 qui peut être une épaisseur fine telle une tôle élémentaire ou une première couche en procédé de fabrication additive, ou une strate élémentaire présentant une épaisseur plus conséquente, par exemple un paquet de tôles, une superposition de plusieurs couches en fabrication additive, ou une strate élémentaire en un matériau massif obtenue à partir d’un matériau massif, par exemple par usinage. On définit un cercle moyen CM qui correspond, dans le cas d’un rotor central, o un cercle dont le centre passe par l’axe central du rotor et dont l’aire est égale à l’aire de la strate élémentaire perpendiculaire audit axe central X. La strate élémentaire de fond 25 présente au moins une zone en saillie ou en retrait par rapport au cercle moyen CM ou une structure excentrique par rapport à l’axe central X sur la surface destinée à former la surface rotorique 24 de l’entrefer entre le rotor 20 et le stator 30 du résolveur à fabriquer. Cette zone en saillie ou en retrait ou structure excentrique par rapport à l’axe central X définit au moins une paire de pôles 21 pour moduler le signal électrique dans un bobinage de détection 33 du stator 30 lors du passage devant ledit bobinage 33. Dans le cas d’une seule paire de pôles, la strate élémentaire présente ainsi une seule zone en saillie et une seule zone en retrait. Une telle géométrie correspond à une structure excentrique par rapport à l’axe X.
On empile ensuite une deuxième strate élémentaire 26 sur ladite strate élémentaire de fond 25. La deuxième strate élémentaire est angulairement décalée par rapport à la strate élémentaire du fond par rapport à l’axe central de l’empilement. Dans le cas d’un rotor 20 central, l’axe central correspond au centre du rotor 20. Dans le cas d’un rotor 20 extérieur, l’axe central X est définie par le centre du périmètre extérieur du rotor 20 et le plan de chaque strate élémentaire 25, 26.
Les strates élémentaires 25, 26 du rotor sont rigidement solidaires entre elles, par exemple par un collage, frittage ou une fabrication à partir d’une seule pièce. La fixation des strates élémentaires 25, 26 peut être effectuée lors de l’empilement de chaque strate élémentaire 25, 26 respective, et/ou après la finalisation de l’empilement. Les strates élémentaires 25, 26 du rotor sont en rotation ensemble lors du fonctionnement du résolveur à réluctance variable 10.
Décalage angulaire entre les strates élémentaires du rotor
Les zones en saillie et les zones en retrait ou la structure excentrique par rapport à l’axe central X de chaque strate élémentaire 25, 26 respective du rotor sont angulairement décalées par rapport aux zones de saillie et des zones en retrait des autres strates élémentaires 25, 26. L’angle de décalage 0p est défini entre deux strates élémentaires 25, 26 directement adjacentes. L’angle 0p correspond à l’angle le plus petit formé entre un pôle 21 défini par une strate élémentaire 25, 26 du rotor 20, et un pôle 21 formé par une strate élémentaire 25, 26 adjacente du rotor 20. On définit donc l’angle de décalage 0p entre un pôle 21 d’une première strate élémentaire 25, et un pôle 21 d’une strate élémentaire adjacente 26 en utilisant les pôles 21 les plus rapprochés des deux strate élémentaire 25, 26 respectives.
L’angle de décalage 0p entre deux strates élémentaires 25, 26 du rotor 20 est choisi en fonction de l’angle 0D de denture du stator 30 et le nombre total N des strates élémentaires 25, 26 du rotor.
De manière générale, l’angle de décalage 0p est égal à l’angle de denture 0D multiplié par (N-1 )/N , N étant le nombre des strates élémentaires 25, 26 du rotor 20 :
Figure imgf000015_0001
Ainsi, les pôles 21 des différentes strates élémentaires 25, 26 sont répartis de manière régulière sur l’espace entre deux dents 31 consécutives du stator 30, ou dans la zone autour d’une dent 31 , sans passer devant la dent 31 adjacente. Une telle répartition du pôle 21 sur une partie de la circonférence du rotor 20 permet de réduire l’effet du passage du pôle 21 devant une dent 31 du stator 30 et le signal électrique associé avec ce passage.
Par exemple, en référence à la figure 1 , quand le rotor 20 comprend deux strates élémentaires 25, 26 (N =2), l’angle de décalage 0p entre la strate élémentaire du fond 25 et la strate élémentaire supérieure 26 de l’empilement correspond à la moitié de l’angle de denture 0D. Quand un pôle 21 de la strate élémentaire inférieure 25 se situe directement devant une dent 31 de la denture, le pôle 21 le plus proche de la strate élémentaire supérieure 26 se situe au milieu entre la même dent 31 et la dent 31 adjacente.
Un tel angle de décalage 0D permet de diminuer considérablement l’harmonique de denture du signal détecté, voire de supprimer complètement l’harmonique de denture. Cette diminution voire suppression augmente considérablement la précision du résolveur 10.
La figure 6 est un graphe de l’erreur de la position du rotor en ° en fonction de la position angulaire du rotor en °. Pour un rotor connu sans décalage angulaire (courbe 6A), cette erreur correspond à l’harmonique de denture. Dans un exemple, cette erreur varie entre 0,2° et -0,2°. Pour un rotor selon l’invention (courbe 6B), comprenant des strates élémentaires 25, 26 angulairement décalées selon l’équation (1 ), l’harmonique de denture est supprimée et l’erreur de position est négligeable.
La figure 7A montre une vue d’en face d’une portion d’un rotor connu au niveau d’une ligne de pôles de même rang sur une surface rotorique de l’entrefer. Les pôles des strates élémentaires forment une ligne de pôles 71 correspondant à un maximum (pour un rotor extérieur) ou un minimum (pour un rotor central) de largeur de l’entrefer.
Une telle ligne de pôles 71 correspond à une ligne directrice parallèle à l’axe central X, tous les pôles sont donc directement superposés sans décalage angulaire. En coordonnées cylindriques, une ligne de pôles de même rang d’un tel rotor correspond à l’ensemble des points ayant les mêmes coordonnées radiales et angulaires, c’est-à-dire seulement l’altitude dans l’empilement varie pour les pôles des strates élémentaires respectives. Lors de la rotation du rotor, tous les points d’une ligne de pôles passent simultanément devant une dent du stator.
La figure 7B illustre une ligne de pôles 70 de même rang sur une surface rotorique d’un rotor selon un mode de réalisation possible de l’invention. Les pôles des strates élémentaires respectives présentent un décalage angulaire pseudo-continu. La ligne 70 formée par des tels pôles effectue un tracé en forme de spirale sur la surface rotorique de l’entrefer.
En coordonnées cylindriques, l’ensemble de points d’une ligne 70 de pôles de même rang correspond toujours à un ensemble des points ayant les mêmes coordonnées radiales, mais ces points présentent un décalage des coordonnées angulaires. Ainsi, l’altitude et la position angulaire des pôles varie de manière pseudo-continue dans l’empilement varie pour les pôles des strates élémentaires respectives. Par conséquence, lors de la rotation du rotor autour de l’axe central X, il y a un décalage temporel entre le passage entre le passage de chacun des points de la ligne devant chaque dent du stator.
Un système de mesure d’un angle et/ou une vitesse de rotation
Un système de mesure d’un angle et/ou une vitesse de rotation comprend un résolveur selon l’invention, une source de tension électrique alternative électriquement liée au bobinage d’excitation du stator, et un dispositif de détection de tension électrique résolue dans le temps pour détecter le signal aux bobinages de détection du stator.
Le système de mesure comprend en outre un dispositif de réception et de traitement de signaux configuré pour calculer une vitesse et un angle de rotation. Un tel dispositif mesure une tension électrique résolue en temps pour chaque bobinage de détection. Il comprend un outil informatique configuré pour analyser le signal électrique mesuré sur les bobinages de détection pour le suivi de la position angulaire du rotor et pour calculer un angle et/ou une vitesse angulaire à partir des courbes de détection.
Signal mesuré
La figure 8 montre le signal d’excitation appliqué sur le bobinage d’excitation du stator (courbe 8A) et le signal d’un bobinage de détection sinus (courbe 7B) et un bobinage de détection appelé cosinus présentant un déphasage de 90° par rapport au bobinage de détection sinus (courbe 8C).
Le signal d’excitation est une tension alternative régulière, à une fréquence typiquement comprise entre 2 et 20 kHz. Chaque signal de détection correspond à une courbe sinusoïdale correspondant au passage d’un pôle du rotor devant le bobinage correspondant du stator, modulée par la fréquence du signal d’excitation. La fréquence de la sinusoïdale enveloppante est donc la fréquence de rotation du rotor, divisé par le nombre de pôles. Le déphasage entre les différentes courbes permet de calculer la position angulaire du rotor.
Dans le cas d’un rotor connu sans décalage angulaire, le signal de détection comprend en outre une erreur de position tel qu’illustré dans la courbe 6A de la figure 6. Dans le cas d’un rotor selon l’invention, l’erreur de position angulaire en raison de l’harmonique de denture est fortement réduite voire supprimée.
Du fait que l’erreur de position dans le signal mesuré est supprimée, la vitesse et l’angle de rotation peuvent être déterminés avec une précision améliorée.
Par exemple, un résolveur 10 comportant un rotor connu sans décalage angulaire et un stator comprenant un nombre de dents N=10 peut entraîner une erreur de position angulaire de plus de 0,16° pour la dixième harmonique, pendant que l’erreur de position est considérablement plus faible pour les autres harmoniques ne correspondant pas au nombre de dents du stator. Une telle erreur de position angulaire dû à l’harmonique du rang N est provoquée par le passage de tous les pôles du rotor en un seul instant devant les dents du stator.
Pour le rotor 20 selon l’invention, le passage des pôles 21 de même rang devant chaque dent 31 du stator se déroule de manière décalée dans le temps, en lien avec leur décalage angulaire. Le décalage créé un moyennage des erreurs liées au système physique. Ainsi, le résultat mesuré correspond à la moyenne de tous ces angles lus en même temps. Pendant le passage d’une ligne de pôles 21 de même rang de la première strate élémentaire 25 du rotor 20 devant une dent 31 stator 30, les lignes de pôles 21 du même rang des autres portions du rotor 26 sont situés à des positions intermédiaires entre deux dents 31 adjacentes. Lors du passage de la ligne de pôles 21 de la deuxième strate élémentaire 26 du rotor devant la même dent 31 du stator 30, le pôle 21 de la première strate élémentaire 25 est déjà situé au-delà de ladite dent 31. Les éventuelles strates élémentaires successives sont encore positionnées avant la même dent 31. Ainsi, le passage des lignes de pôles 21 devant chaque dent 31 du stator 30 est lissé dans le temps, ce qui a pour effet de supprimer l’erreur d’harmonique de denture.
Les erreurs ayant un harmonique de rang élevé peuvent avoir des conséquences importantes lorsque l’on cherche à obtenir la vitesse du système. En les supprimant par un lissage du passage des pôles devant la denture, en utilisant un rotor 20 selon l’invention, on peut réaliser des résolveurs d’une précision élevée.
Applications
Le résolveur 10 selon l’invention est en particulier utilisé dans le cas d’applications dans le domaine de l’aéronautique, pour le suivi d’un angle d’un équipement d’un aéronef, notamment pour des suivis de positions de rotation de moteur électrique d’actionneurs de petite ou moyenne puissance, et plus généralement pour le suivi de tout système rotatif (systèmes optroniques avec moteur électrique, rotation des roues, ventilation, etc.). Il peut également être utilisé comme capteur pour renvoyer une information de position (manettes de gaz, volets, ailerons ...).
REFERENCES
US 2013/193957 A1

Claims

REVENDICATIONS
1 . Résolveur à réluctance variable (10), comprenant un rotor (20) et un stator (30) coaxial avec ledit rotor (20) par rapport à un axe central (X), ledit rotor (20) et ledit stator (30) étant séparés par un entrefer (40), ledit stator (30) comportant une surface statorique dotée d’une denture comprenant une pluralité de dents (31 ) faisant saillie en direction dudit entrefer (40), lesdites dents (31 ) étant disposées de sorte que deux dents (31 ) consécutives le long de la denture forment un angle de denture (0D) par rapport à l’axe central (X), ledit rotor (20) comprenant un empilement de strates élémentaires empilées (25, 26) de manière coaxiale à l’axe central (X), chaque strate élémentaire présentant une géométrie identique dans un plan perpendiculaire à l’axe central, caractérisé en ce que chaque strate élémentaire définit au moins une paire de pôles (21 ) agencées sur une surface rotorique dudit entrefer (40), l’empilement comprenant une première strate élémentaire (25) définissant le fond de l’empilement et au moins une strate élémentaire supérieure (26) superposée sur ladite première strate élémentaire (25), chaque strate élémentaire supérieure (26) étant angulairement décalée d’un angle de décalage (0p) autour de l’axe central (X) par rapport à la strate élémentaire sous-jacente, l’angle de décalage (0p) étant égal à l’angle de denture (0D) multiplié par (N- 1 )/N, N étant le nombre de strates élémentaires (25, 26) empilées.
2. Résolveur à réluctance variable selon la revendication 1 , dans lequel le rotor (20) comprend m paires de pôles (21 ) disposés à symétrie de révolution par rapport à l’axe central (X), m étant un nombre entier.
3. Résolveur à réluctance variable selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les strates élémentaires empilées (25,26) sont des éléments en tôle.
4. Résolveur selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les strates élémentaires empilées (25, 26) sont des couches liées par frittage ou par une technique de fabrication additive.
5. Résolveur selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel chaque strate élémentaire empilée (25, 26) présente une épaisseur comprise entre 0.1 mm et 1 mm le long de l’axe (X).
6. Résolveur selon la revendication 5, dans lequel chaque strate élémentaire (25, 26) est en un matériau massif.
7. Résolveur selon la revendication 5 dans lequel chaque strate élémentaire (25, 26) du rotor comprend une superposition d’éléments en tôle sans décalage angulaire entre éléments en tôle respectifs par rapport à l’axe central (X).
8. Résolveur à réluctance variable selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le rotor (20) est agencé à l’intérieur d’un creux central du stator (30).
9. Résolveur à réluctance variable selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le stator (30) est agencé à l’intérieur d’un creux central du rotor (20).
10. Système de mesure d’un angle et/ou une vitesse de rotation, comprenant o un résolveur à réluctance variable selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, o un générateur de tension électrique alternative en liaison électrique avec les extrémités du bobinage d’excitation, o un détecteur de tension électrique résolu dans le temps en liaison électrique avec les extrémités de chaque bobinage de détection, o un système de traitement de données configuré de calculer, à partir des tensions électriques mesurés par le détecteur de tension électrique un angle de rotation du rotor.
11. Procédé de fabrication d’un résolveur à réluctance variable, comprenant les étapes suivantes : o la mise à disposition d’un stator (30) comportant, sur une face statorique (34) destinée à former un entrefer (40) avec un rotor (20), une denture comprenant une pluralité de dents (31 ), lesdits dents (31 ) étant disposées de sorte que deux dents (31 ) consécutives le long de la denture forment un angle de denture (0D) par rapport à un axe central (X), o la mise à disposition d’au moins deux strates élémentaires (25, 26) d’un rotor (20), chaque strate élémentaire (25, 26) présentant une géométrie identique dans un plan perpendiculaire à l’axe central (X) et comportant, sur une face rotorique (24) destinée à délimiter un entrefer (40) avec la face statorique du stator (30), au moins
■ une zone en retrait par rapport à un cercle moyen (CM) autour de l’axe central (X), ladite zone délimitant une zone de largeur maximale dudit entrefer (40) et
■ une zone en saillie par rapport à un cercle moyen (CM) autour de l’axe central (X), ladite zone délimitant une zone de largeur minimale dudit entrefer (40), o la définition d’une strate élémentaire (25) de fond, o l’empilement d’au moins une deuxième strate élémentaire (26) de manière coaxiale par rapport à l’axe central (X) sur la strate élémentaire de fond (25), de sorte que chaque strate élémentaire (25, 26) soit décalée angulairement par rapport à une strate élémentaire (25, 26) sous-jacente d’un angle de décalage (0p) étant égal à l’angle de denture (0D) multiplié par (N-1 )/N, N étant le nombre de strates élémentaires (25, 26) empilées. o la fixation des strates élémentaires (25, 26) empilées pour former le rotor (20), o l’emboitement concentrique du rotor (20) et du stator (30) de sorte à former un entrefer (40) entre la face statorique(34) du stator et la face rotorique (24) du rotor (20).
12. Procédé de mesure d’un angle et/ou d’une vitesse de rotation comprenant les étapes suivantes : o la mise à disposition d’un résolveur à reluctance selon l’une des revendications 1 à 9, o l'application d’une tension d’excitation à un bobinage d’excitation porté par la denture, o la rotation du rotor relatif au stator autour de l’axe central (X), o la détection d’une tension de détection résolue dans le temps aux extrémités d’au moins un bobinage de détection porté par la denture, o le calcul, à partir de la tension de détection résolue dans le temps, d’un angle et/ou d’une vitesse de rotation.
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