Transformateur différentiel permettant la mesure des déplacements angulaires d'une pièce rotative La présente invention a pour objet un transfor mateur différentiel permettant la mesure des dépla cements angulaires d'une pièce rotative.
La mesure des déplacements de pièces mécani ques, ou le contrôle de leur position, par voie élec trique, est actuellement très répandu. On a proposé, pour la mesure des mouvements de translation ou déplacements rectilignes, l'emploi de transformateurs différentiels<B>à</B> noyaux plongeurs remplaçant les po- tentiomùtres <B>à</B> résistance électrique utilisés habituel lement. Par contre, la mesure des déplacements angu laires d'une pièce, en particulier d'un arbre rotatif, s'est toujours effectuée soit en transformant mécani quement lesdits déplacements angulaires en dépla cements rectilignes, avec toutes les complications et sources d'erreurs que cette transformation comporte, soit directement<B>à</B> l'aide de potentiomètres<B>à</B> résis tances circulaires.
Ces potentiomètres présentent des inconvénients (oxydation de la piste de contact, usure, etc.) qui sont bien connus. Le but de la pré sente invention est de permettre la mesure des<B>dé-</B> placements angulaires d'une pièce rotative, par voie électrique, sans emploi d'un potentiomètre<B>à</B> résis tance.
Le transformateur différentiel suivant l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux enroulements, l'un primaire et l'autre secon daire, une armature en matière ferromagnétique pré sentant au moins une solution de continuité formant entrefer, et au moins une came, également en matière ferromagnétique, montée sur un arbre rotatif, occu pant partiellement ledit entrefer, et conformée de telle sorte que la réluctance de ladite armature varie avec la position de ladite came, le tout étant agencé de manière que la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire permette de connaître la position angulaire de la came et par conséquent de l'arbre qui la porte.
Le dessin annexé représente,<B>à</B> titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention et une variante.
La fig. <B>1</B> est une vue en perspective d'une pre mière forme d'exécution, La fig. 2 en est une coupe transversale prati quée au niveau de la ligne IMI de la fig. <B>1, à</B> échelle agrandie.
Les fig. 3a et<B>3b</B> sont des vues en plan,<B>à</B> échelle agrandie, des deux cames du transformateur des fig. <B>1</B> et 2.
La fig. 4 est un diagramme indiquant les varia tions de tension aux bornes du circuit secondaire en fonction de la position angulaire de l'arbre dont on mesure les déplacements angulaires.
La fig. <B>5</B> est une vue en élévation, avec coupe partielle, d'une seconde forme d'exécution.
Les fig. 6a et<B>6b</B> sont des vues en plan des deux cames de la seconde forme d'exécution.
La fig. <B>7</B> est un diagramme analogue<B>à</B> celui de la fig. 4 et indiquant la variation de la tension secon daire dans cette seconde forme & exécution, et, la fig. <B>8</B> est une vue schématique en élévation d'une variante.
Le transformateur différentiel selon la première forme d'exécution comprend un cadre<B>0,</B> en matière non magnétique, par exemple en aluminium, dans lequel est disposée une armature en matière ferro magnétique comprenant deux colonnes latérales<B>1</B> et 2 et une colonne centrale<B>3.</B> Ces colonnes présentent, <B>à</B> leur partie supérieure, des têtes la, 2a, et 3a, res pectivement, formant des pièces polaires, dont la forme en plan est visible<B>à</B> la fig. 2. Elles sont réunies<B>à</B> leur base par des entretoises 4 en matière ferromagnétique et maintenues en place, au voisi nage de leur tête, par des entretoises<B>5</B> en matière non magnétique. Ainsi l'armature du transformateur a la forme générale d'un<B> 8 </B> dont les deux boucles sont ouvertes.
En effet, un espace libre<B>6,</B> formant entrefer, est ménagé entre les pièces polaires la et 3a, de même qu'un espace libre<B>7,</B> formant également entrefer, est ménagé entre les pièces polaires 2a et 3a.
La colonne centrale<B>3</B> porte un enroulement pri maire<B>8</B> destiné<B>à</B> être alimenté en courant alternatif, <B>à</B> une fréquence quelconque, par exemple de<B>50</B> ou <B>60</B> périodes par seconde, ou même de 400 périodes par seconde si le transformateur est utilisé dans l'aviation. La tension appliquée aux bornes de l'en roulement primaire pourra être quelconque, par exemple<B>50</B> volts. Les deux colonnes latérales<B>1</B> et 2 portent chacune un enroulement<B>9,</B> respectivement <B>10,</B> appartenant au circuit secondaire du transforma teur. Ces enroulements, bobinés en opposition, sont montés en série.
Le cadre<B>0</B> porte, monté rotativement sur lui, un arbre<B>11</B> dont on désire mesurer les déplacements angulaires<B>;</B> cet arbre pourrait aussi être relié<B>à</B> une pièce rotative dont on désirerait connaître la position angulaire. Cet arbre, en matière non magnétique, porte deux cames 12 et<B>13,</B> en forme de colimaçon. Ces deux cames, représentées respectivement dans les fig. 3a et<B>3b,</B> sont montées en opposition l'une par rapport<B>à</B> l'autre, c'est-à-dire que lorsque la par tie de l'une d'elles qui est engagée dans Fentrefer correspondant augmente, la partie correspondante de l'autre diminue.
Elles pénètrent partiellement chacune dans l'un des entrefers<B>6</B> et<B>7.</B> Leurs positions angu laires relatives sur l'arbre<B>11</B> sont telles que leurs deux faces radiales 14, respectivement<B>15,</B> sont si tuées dans un même plan.
Lors de la rotation de l'arbre<B>11,</B> les cames 12 et <B>13</B> ferment plus ou moins les entrefers<B>6</B> et<B>7,</B> modi fiant ainsi la réluctance magnétique de chacune des deux boucles de l'armature du transformateur. Le flux magnétique varie ainsi inversement dans cha cune de ces deux boucles lors de la rotation de l'arbre<B>11,</B> de sorte que la tension<B>E</B> aux bornes du circuit secondaire varie également, avec d'autant plus d'amplitude qu'elle exprime la différence des tensions de chaque enroulement secondaire<B>9</B> et<B>10.</B> La fig. 4, dans laquelle la position angulaire ft de l'arbre<B>11</B> a été représentée en abscisse, montre que la tension<B>E,</B> portée en ordonnées, part de<B>0</B> pour une position donnée de l'arbre<B>Il</B> servant d'origine,
passe par un maximum pour une rotation de<B>900</B> de l'arbre, retombe<B>à 0</B> lorsque ce dernier a tourné<B>de</B> 180o et enfin atteint un nouveau maximum lorsque l'arbre a parcouru 270,1. Cette image du diagramme dépend essentiellement du profil des cames, la ten sion<B>E</B> pouvant être une fonction linéaire, sinus6i- dale ou autre, de l'angle<B>de</B> rotation de l'arbre. 111 est <B>à</B> remarquer que, pour obtenir une courbe symétri que et régulière, les cames doivent être légèrement corrigées par rapport<B>à</B> la forme théorique que leur conférerait le calcul, ceci afin de compenser l'effet de la dispersion du champ magnétique qui peut se produire.
Le transformateur selon la seconde forme d'exé cution diffère de la première principalement par la forme des cames et par le fait que celles-ci sont dis posées au-dessus des pièces polaires de l'armature, désignées respectivement par l6a, l7a et 18a. Quant au reste, le transformateur est sensiblement le même<B>:</B> Un enroulement primaire<B>19</B> est monté sur une co lonne centrale<B>18</B> de l'armature et deux enroule ments secondaires 20 et 21 sont montés respective ment sur des colonnes latérales<B>16</B> et<B>17.</B> Ces deux derniers enroulements sont montés en série et bobi nés en opposition. Les cames, en forme de coli maçon, sont désignées par 22 et<B>23</B> respectivement<B>;</B> elles sont portées par un arbre 24 dont on désire mesurer la position angulaire.
Cet arbre est monté rotativement dans le cadre<B>25</B> formant le bâti du transformateur, au moyen de deux roulements<B>à</B> bil les<B>26,</B> dont l'un a été schématiquement représenté, et qui sont maintenus en place chacun par un circlip <B>27</B> porté par l'arbre et par un circlip <B>28</B> fixé au cadre<B>25.</B>
Les formes et les dimensions des cames 22 et <B>23</B> sont telles que le plus grand rayon de la came <B>23,</B> qui est la plus petite des deux, est sensiblement égal au plus petit rayon de la came 22, qui est la plus grande des deux.
Le dia-ramme de la variation de la tension pré sente l'image illustrée<B>à</B> la fig. <B>7.</B> Comme on le voit, la tension<B>E</B> aux bornes du circuit secondaire passe par un seul maximum correspondant sensiblement<B>à</B> un angle<B> & </B> de<B>3000</B> de l'arbre 24. Ainsi, on peut mesurer directement des déplacements angulaires va riant de<B>0 à 3000</B> de l'arbre 24 par simple lecture de la tension<B>E</B> sans qu'aucune interprétation de cette lecture soit nécessaire.
Dans la variante<B>de</B> la fig. <B>8,</B> c'est le circuit pri maire qui comprend deux enroulements<B>29</B> et<B>30,</B> alors que le circuit secondaire ne comprend qu'un seul enroulement<B>31.</B> Les enroulements<B>29</B> et<B>30</B> sont portés respectivement par les colonnes latérales <B>32</B> et<B>33</B> de l'armature ferromagnétique, et l'enrou lement<B>31</B> par la colonne centrale 34. Les enroule ments primaire<B>29</B> et<B>30</B> sont bobinés en sens oppo sés et sont montés en parallèle. En outre, une résis tance<B>35</B> est montée en série avec l'enroulement<B>29.</B> Enfin, les deux cames, désignées par<B>36</B> et<B>37,</B> por- tées par un arbre commun<B>38,</B> sont semblables et de même dimension.
Toutes deux en forme de colima çon, elles sont montées en sens opposés sur l'arbre <B>38.</B> Grâce<B>à</B> la résistance<B>35,</B> l'enroulement<B>30</B> reçoit <B>le</B> courant primaire total alors que l'enroulement<B>29</B> ne reçoit que la moitié de la tension primaire. Dans cette variante, la tension aux bornes de l'enroulement secondaire varie avec la position angulaire de l'arbre <B>38</B> d'une manière analogue<B>à</B> celle de la seconde forme d'exécution, illustrée dans la fig. <B>7.</B>
Le profil des cames pourra être différent de celles des formes d'exécution décrites, de même que la forme et la disposition des pièces polaires. Les enrou lements, primaire et secondaire, pourront aussi être disposés différemment. Les cames pourront être rem placées par des rondelles de profil circulaire mais d'épaisseur variable. Enfin, on pourrait disposer, dans l'un au moins des entrefers, une pièce en ma tière ferromagnétique, déplaçable, permettant de cor riger la courbe des tensions obtenue, en vue de l'étalonnage.
Differential transformer allowing the measurement of the angular displacements of a rotating part The present invention relates to a differential transformer allowing the measurement of the angular displacements of a rotating part.
The measurement of movements of mechanical parts, or the control of their position, by electrical means, is currently very widespread. It has been proposed, for the measurement of translational movements or rectilinear movements, the use of differential transformers <B> with </B> plunger cores replacing the <B> with </B> electrical resistance potentiometers usually used. On the other hand, the measurement of the angular displacements of a part, in particular of a rotating shaft, has always been carried out either by mechanically transforming said angular displacements into rectilinear displacements, with all the complications and sources of error that this transformation involves either directly <B> to </B> using potentiometers <B> to </B> circular resistances.
These potentiometers have drawbacks (oxidation of the contact track, wear, etc.) which are well known. The object of the present invention is to allow the measurement of the angular <B> displacements of a rotating part, electrically, without the use of a <B> resistance </B> potentiometer. .
The differential transformer according to the invention is characterized in that it comprises at least two windings, one primary and the other secondary, an armature made of ferromagnetic material having at least one solution of continuity forming an air gap, and at least one cam, also made of ferromagnetic material, mounted on a rotating shaft, partially occupying said air gap, and shaped so that the reluctance of said armature varies with the position of said cam, the whole being arranged so that the measured voltage at the terminals of the secondary winding makes it possible to know the angular position of the cam and consequently of the shaft which carries it.
The appended drawing represents, <B> to </B> by way of example, two embodiments of the object of the invention and a variant.
Fig. <B> 1 </B> is a perspective view of a first embodiment, FIG. 2 is a cross section taken at the level of the line IMI of FIG. <B> 1, to </B> enlarged scale.
Figs. 3a and <B> 3b </B> are plan views, <B> to </B> on an enlarged scale, of the two cams of the transformer of fig. <B> 1 </B> and 2.
Fig. 4 is a diagram indicating the voltage variations at the terminals of the secondary circuit as a function of the angular position of the shaft whose angular displacements are measured.
Fig. <B> 5 </B> is an elevational view, partially in section, of a second embodiment.
Figs. 6a and <B> 6b </B> are plan views of the two cams of the second embodiment.
Fig. <B> 7 </B> is a diagram similar to <B> to </B> that of fig. 4 and indicating the variation of the secondary voltage in this second form & execution, and, FIG. <B> 8 </B> is a schematic elevation view of a variant.
The differential transformer according to the first embodiment comprises a frame <B> 0, </B> of non-magnetic material, for example aluminum, in which is arranged a frame of ferromagnetic material comprising two side columns <B> 1 </B> and 2 and a central column <B> 3. </B> These columns have, <B> to </B> their upper part, heads 1a, 2a, and 3a, respectively, forming parts polar, whose plan shape is visible <B> in </B> fig. 2. They are joined <B> to </B> their base by spacers 4 made of ferromagnetic material and held in place, near their head, by spacers <B> 5 </B> made of non-magnetic material. Thus the transformer armature has the general shape of a <B> 8 </B> whose two loops are open.
Indeed, a free space <B> 6, </B> forming an air gap, is provided between the pole pieces 1a and 3a, just as a free space <B> 7, </B> also forming an air gap, is provided. between the pole pieces 2a and 3a.
The central column <B> 3 </B> carries a primary winding <B> 8 </B> intended <B> to </B> be supplied with alternating current, <B> at </B> any frequency , eg <B> 50 </B> or <B> 60 </B> periods per second, or even 400 periods per second if the transformer is used in aviation. The voltage applied to the terminals of the primary rolling can be any, for example <B> 50 </B> volts. The two lateral columns <B> 1 </B> and 2 each carry a winding <B> 9, </B> respectively <B> 10, </B> belonging to the secondary circuit of the transformer. These windings, wound in opposition, are mounted in series.
The frame <B> 0 </B> carries, rotatably mounted on it, a shaft <B> 11 </B> whose angular displacements are to be measured <B>; </B> this shaft could also be connected <B > to </B> a rotating part whose angular position we would like to know. This shaft, in non-magnetic material, carries two cams 12 and <B> 13, </B> in the form of a spiral staircase. These two cams, shown respectively in fig. 3a and <B> 3b, </B> are mounted in opposition to each other with respect to <B> </B> the other, that is to say that when part of one of those which are engaged in the corresponding gap increases, the corresponding part of the other decreases.
They each partially penetrate one of the gaps <B> 6 </B> and <B> 7. </B> Their relative angular positions on the shaft <B> 11 </B> are such that their two radial faces 14, respectively <B> 15, </B> are if killed in the same plane.
When rotating the shaft <B> 11, </B> the cams 12 and <B> 13 </B> more or less close the air gaps <B> 6 </B> and <B> 7, < / B> thus modifying the magnetic reluctance of each of the two loops of the transformer armature. The magnetic flux thus varies inversely in each of these two loops during the rotation of the shaft <B> 11, </B> so that the voltage <B> E </B> at the terminals of the secondary circuit also varies. , with all the more amplitude as it expresses the difference in the voltages of each secondary winding <B> 9 </B> and <B> 10. </B> FIG. 4, in which the angular position ft of the shaft <B> 11 </B> has been represented on the abscissa, shows that the voltage <B> E, </B> plotted on the ordinate, starts from <B> 0 < / B> for a given position of the <B> Il </B> tree serving as origin,
goes through a maximum for a rotation of <B> 900 </B> of the shaft, drops <B> to 0 </B> when the latter has turned <B> of </B> 180o and finally reaches a new maximum when the tree has traveled 270.1. This image of the diagram depends essentially on the profile of the cams, the voltage <B> E </B> being able to be a linear function, sinusoidal or other, of the angle <B> of </B> rotation of the tree. 111 is <B> to </B> note that, to obtain a symmetrical and regular curve, the cams must be slightly corrected with respect to <B> to </B> the theoretical form that the calculation would give them, in order to compensate for the effect of the dispersion of the magnetic field which may occur.
The transformer according to the second embodiment differs from the first mainly by the shape of the cams and by the fact that these are placed above the pole pieces of the armature, designated respectively by 16a, 17a and 18a. . As for the rest, the transformer is more or less the same <B>: </B> A primary winding <B> 19 </B> is mounted on a central column <B> 18 </B> of the armature and two secondary windings 20 and 21 are respectively mounted on lateral columns <B> 16 </B> and <B> 17. </B> These last two windings are mounted in series and bobi born in opposition. The cams, in the form of a mason's package, are designated by 22 and <B> 23 </B> respectively <B>; </B> they are carried by a shaft 24, the angular position of which is to be measured.
This shaft is rotatably mounted in the frame <B> 25 </B> forming the frame of the transformer, by means of two bearings <B> to </B> bil the <B> 26, </B> of which one has been shown schematically, and which are each held in place by a circlip <B> 27 </B> carried by the shaft and by a circlip <B> 28 </B> fixed to the frame <B> 25. </ B>
The shapes and dimensions of the cams 22 and <B> 23 </B> are such that the larger radius of the cam <B> 23, </B> which is the smaller of the two, is substantially equal to the smaller radius of cam 22, which is the larger of the two.
The dia-ramme of the variation of the tension presents the image illustrated <B> to </B> in fig. <B> 7. </B> As can be seen, the voltage <B> E </B> across the terminals of the secondary circuit passes through a single maximum corresponding substantially <B> to </B> an angle <B> & </B> of <B> 3000 </B> of shaft 24. Thus, one can directly measure angular displacements ranging from <B> 0 to 3000 </B> of shaft 24 by simply reading the voltage <B> E </B> without any interpretation of this reading being necessary.
In the variant <B> of </B> fig. <B> 8, </B> it is the primary circuit which comprises two windings <B> 29 </B> and <B> 30, </B> while the secondary circuit comprises only one winding <B> 31. </B> The windings <B> 29 </B> and <B> 30 </B> are carried respectively by the side columns <B> 32 </B> and <B> 33 </ B> of the ferromagnetic armature, and the winding <B> 31 </B> by the central column 34. The primary windings <B> 29 </B> and <B> 30 </B> are wound in opposite directions and are mounted in parallel. In addition, a resistor <B> 35 </B> is mounted in series with the winding <B> 29. </B> Finally, the two cams, designated by <B> 36 </B> and <B > 37, </B> carried by a common tree <B> 38, </B> are similar and of the same size.
Both spiral shaped, they are mounted in opposite directions on the shaft <B> 38. </B> Thanks <B> to </B> the resistance <B> 35, </B> the winding <B> 30 </B> receives <B> the </B> total primary current while the winding <B> 29 </B> receives only half of the primary voltage. In this variant, the voltage at the terminals of the secondary winding varies with the angular position of the shaft <B> 38 </B> in a manner similar <B> to </B> that of the second form of execution, illustrated in fig. <B> 7. </B>
The profile of the cams may be different from those of the embodiments described, as may the shape and arrangement of the pole pieces. The windings, primary and secondary, can also be arranged differently. The cams may be replaced by washers of circular profile but of variable thickness. Finally, a movable ferromagnetic part could be placed in at least one of the air gaps, making it possible to correct the voltage curve obtained, with a view to calibration.