FR2689633A1 - Couplemètre magnétique. - Google Patents

Abstract

Le couplemètre comprend: a) un comparateur angulaire magnétique (10, 20) comprenant des premier et second rotors dentés (10, 20) en matériau ferromagnétique ancrés au voisinage d'une première et d'une deuxième section d'arbre tournant (1, 2) en définissant entre eux un entrefer b) un circuit magnétique extérieur à réluctance définie constante (30) comprenant un circuit statique (33) en matériau ferromagnétique présentant des première et deuxième extrémités disposées en regard respectivement de parties cylindriques non dentées des premier et deuxième rotors dentés (10, 20) en définissant avec celles-ci respectivement des premier et deuxième entrefers de transfert (31, 32), et des moyens d'excitation (34) pour créer un champ magnétique dans le circuit magnétique extérieur, et c) au moins une sonde à effet Hall (5) disposée dans un entrefer de mesure (35) défini dans le circuit magnétique extérieur (30) pour fournir à un circuit de traitement (50) un signal électrique analogique présentant une amplitude proportionnelle au couple appliqué à l'arbre de torsion (3) indépendamment de la vitesse de rotation de cet arbre de torsion (3).

Description

COUPLEMEIRE MAGNEIIQUE.

La présente invention concerne un couplemètre de type magnétique destiné à la mesure de couples à l'aide d'un arbre de torsion de façon indépendante de la vitesse de rotation de l'arbre de torsion.

Un tel couplemètre est constitué essentiellement d'un arbre de torsion et d'un dispositif de mesure de la torsion (torsiomètre) dudit arbre sous l'effet d'un couple.

On connait déjà des couplemètres utilisant un barreau de torsion dont les extrémités sont reliées respectivement à une extrémité d'arbre fournissant un couple moteur et à une extrémité d'arbre présentant un couple résistant. Le barreau de torsion, qui peut tourner par rapport à une cage extérieure, comporte deux disques dentés montés à chacune des extrémités du barreau de torsion. La cage extérieure porte elle-même deux couronnes dentées entourant des disques dentés, et équipées chacune d'un enroulement stationnaire. Lorsque les dents des disques passent devant les dents intérieures des couronnes dentées, il y a variation de l'induction, ce qui provoque un signal modulé dans les enroulements stationnaires disposés autour des couronnes dentées. Le déphasage entre les deux trains d'ondes disponibles dans les enroulements entourant chacune des couronnes dentées placées en regard des disques dentés montés sur le barreau de torsion est proportionnel à la torsion du barreau sous l'effet de Ia charge. La mesure de ce déphasage à l'aide d'un phasemètre permet d'en déduire la valeur du couple appliqué au barreau de torsion, une fois le dispositif étalonné. Un tel type de couplemètre implique la présence de circuits électroniques relativement complexes avec horloge et circuits de synchronisation pour la mesure des déphasages temporels entre les deux trains d'ondes alternatives et ne permet pas d'obtenir des résultats de qualité constante pour des vitesses de rotation différentes. La précision de ce type de dispositifs de mesure de couple diminue avec la fréquence des signaux alternatifs produits et le principe même de la méthode de mesure rend celle-ci peu appropriée aux études de phénomènes transitoires et inadaptée à des mesures à l'arrêt.

On a également proposé, par le document FR-A-2 631702, de réaliser un couplemètre de type électromagnétique comprenant un dispositif de mesure de déphasage angulaire entre une première extrémité d'un arbre de torsion reliée à un organe moteur et une seconde extrémité de l'arbre de torsion reliée à un organe récepteur, chacune desdites extrémités de l'arbre de torsion portant un rotor denté placé en regard d'un stator muni d'enroulements d'électro-aimant, et un circuit magnétique excité par des aimants pour former avec les rotors et les stators une machine homopolaire, le déphasage angulaire étant déterminé à partir de la mesure de l'intensité du courant circulant dans différents circuits formés à l'aide des enroulements des stators.

Bien qu'un tel dispositif de mesure de déphasage angulaire permette d'obtenir des résultats fiables et précis sur des plages de mesure étendues avec une bonne insensibilité à la vitesse de rotation de la partie tournante du dispositif, la mise en oeuvre d'un relativement grand nombre d'enroulements de stator et de circuits magnétiques feuilletés ne permet pas la réalisation d'un couplemètre à la fois compact, bon marché et se prêtant à un traitement du signal simplifié.

La présente invention vise précisément à réaliser un couplemètre de type magnétique dont la structure d'ensemble soit plus simple et meilleur marché que celle des couplemètres existants, tout en s'adaptant à des applications variées, en permettant un traitement simplifié des signaux de mesure et en offrant la possibilité de mesurer, sans supplément de complexité, des couples pour différents sens et vitesses de rotation de l'arbre de torsion ainsi qu'à l'arrêt.

L'invention a encore pour objet un couplemètre dont l'étalonnage puisse être réalisé par des moyens statiques.

L'invention vise également à réaliser un couplemètre dont l'intégrité soit garantie même au cas où le couple appliqué dépasserait accidentellement la valeur de limite élastique de l'arbre de torsion.

L'invention a encore pour but de réaliser un couplemètre dont la structure puisse s'adapter à des arbres réels pour effectuer des mesures de couple sur une chaîne cinématique existante sans démontage de celle-ci.

Ces buts sont atteints grâce à un couplemètre magnétique pour la détermination du couple exercé sur un ensemble tournant comprenant des première et deuxième sections d'arbre tournant réunies par un arbre de torsion, le couple appliqué à l'arbre de torsion étant déduit de la mesure de l'angle de torsion (d) entre les première et deuxième sections d'arbre tournant, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un comparateur angulaire magnétique comprenant un premier rotor denté en matériau ferromagnétique ancré au voisinage de la première section d'arbre tournant, et un deuxième rotor denté en matériau ferromagnétique ancré au voisinage de la deuxième section d'arbre tournant, les dents du premier rotor denté étant disposées en regard des dents du deuxième rotor denté en définissant un entrefer, le circuit magnétique défini par les premier et deuxième rotors dentés étant interrompu par au moins une pièce en matériau non magnétique au niveau de l'ancrage des premier et deuxième rotors dentés sur l'ensemble tournant, b) un circuit magnétique extérieur à réluctance définie constante comprenant un circuit statique en matériau ferromagnétique présentant des première et deuxième extrémités disposées en regard respectivement de parties cylindriques non dentées des première et deuxième rotors dentés en définissant respectivement des premier et deuxième entrefers de transfert avec lesdits premier et deuxième rotors dentés, et des moyens d'excitation pour créer un champ magnétique dans le circuit magnétique extérieur, et c) au moins une sonde à effet Hall disposée dans un entrefer de mesure défini dans le circuit magnétique extérieur pour fournir à un circuit de traitement un signal électrique analogique présentant une amplitude proportionnelle au couple appliqué à l'arbre de torsion indépendamment de la vitesse de rotation de cet arbre de torsion.

Du fait de l'absence d'éléments statoriques dentelés et par suite, de l'existence d'entrefers de transfert lisses assurant la continuité entre le circuit magnétique extérieur statique de réluctance constante connue et les deux éléments tournants de comparateur angulaire magnétique, la réalisation du couplemètre est simplifiée.

En particulier, le circuit magnétique extérieur statique et les rotors dentés peuvent être réalisés en matériau massif, non feuilleté, du fait que le flux traversant le circuit magnétique est constant pour un couple donné.

Pour la même raison, une seule sonde à effet Hall disposée dans un entrefer de mesure du circuit magnétique suffit pour obtenir l'information souhaitée concernant la valeur du déplacement angulaire relatif entre les rotors dentés, et donc la valeur du couple appliqué à l'arbre de torsion.

Naturellement, si une seule sonde à effet Hall permet d'obtenir l'ensemble de l'information souhaitée, plusieurs sondes à effet Hall peuvent être disposées dans le même entrefer de mesure pour créer une redondance et conférer ainsi une très grande fiabilité au système de mesure.

Les premiers et deuxième rotors dentés peuvent comporter des dents qui sont orientées axialement et sont réparties sur des surfaces cylindriques, ou encore des dents qui sont orientées radialement et sont réparties sur des surfaces sensiblement planes.

En l'absence de couple extérieur, le décalage angulaire initial (o( ) entre les positions angulaires des dents du premier rotor denté et les positions angulaires des dents du deuxième rotor denté est compris entre zéro et la largeur d'une dent et de préférence égal à une demi-largeur de dent. colt).

De préférence, le décalage angulaire maximal autorisé (Ymax) par rapport à la position initiale entre les premier et deuxième rotors dentés est inférieur ou égal à environ le quart de la largeur (2 ;) d'une dent.

Avantageusement, le couplemètre comprend un dispositif de protection mécanique limitant les déplacements angulaires relatifs entre les premier et deuxième rotors dentés de manière à limiter le couple maximal applicable à l'arbre de torsion
Ce dispositif de protection mécanique comprend au moins un élément mâle solidaire de l'un des premier et deuxième rotors dentés et au moins un élément récepteur femelle solidaire de l'autre des premier et deuxième rotors dentés pour recevoir avec un jeu prédéterminé ledit élément mâle.

Les moyens d'excitation du circuit magnétique extérieur peuvent comprendre au moins un aimant permanent ou encore une bobine d'induction toroidale centrée sur l'arbre de torsion et alimentée par un courant continu constant.

Selon un autre mode de réalisation possible,le circuit magnétique extérieur comprend un circuit statique qui s'étend en regard d'une portion seulement des parties cylindriques non dentées des premier et deuxième rotors dentés correspondant à un nombre limité de secteurs angulaires.

Le couplemètre selon l'invention peut être utilisé dans des applications très diverses.

Selon une première application possible, le couplemètre selon l'invention est incorporé dans un dispositif de servo commande d'un servo moteur, tel qu'un servo moteur d'une direction assistée électriquement d'un véhicule routier.

Selon une autre application possible, l'arbre de torsion est constitué directement par un tronçon d'arbre torsible d'un arbre existant et le couplemètre est réalisé en deux parties démontables pour permettre son installation sans démontage de l'arbre.

Dans ce cas, l'un des premier et deuxième rotors dentés comprend deux demi-bagues d'ancrage sur l'arbre solidaires chacune d'une portion hemicylindrique rigide s'étendant autour du tronçon d'arbre torsible et portant chacune à leur extrémité éloignée des demi-bagues d'ancrage, une demicouronne dentée située en regard d'une autre demi-couronne dentée ancrée directement sur l'arbre et faisant partie de l'autre des premier et deuxième rotors dentés.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de couplemètre selon l'invention comportant deux rotors dentés cylindriques,
- la figure 2 est une vue partielle en élévation des rotors dentés de la figure 1,
- les figures 3 et 4 sont des vues partielles en demi-coupe axiale, montrant des variantes de réalisation de moyens d'excitation du circuit magnétique du couplemètre de la figure 1,
- la figure 5 est une section partielle dans un plan radial montrant un exemple de mise en oeuvre d'aimants dans le circuit magnétique du couplemètre de la figure 1,
- la figure 6 est une vue partielle schématique en coupe axiale montrant un deuxième mode de réalisation d'un couplemètre selon l'invention comportant deux rotors présentant des dentures formées sur des parties planes radiales,
- la figure 7 est une section selon la ligne VII-VII de la figure 6 montrant la mise en oeuvre de plusieurs sondes à effet Hall dans un même entrefer annulaire de mesure,
- la figure 8 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de réalisation particulier d'un couplemètre selon l'invention à rotors dentés munis de dents planes disposées dans un même plan radial,
- la figure 9 est une vue en coupe selon la ligne IX-IX de la figure 8 montrant la coopération entre les dents des deux rotors dentés du couplemètre de la figure 8,
- la figure 10 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un couplemètre selon l'invention correspondant à une variante de réalisation du couplemètre des figures 8 et 9 mettant en oeuvre un arbre de torsion creux,
- la figure 11 est une vue en élévation montrent un couplemètre selon l'invention réalisé en deux parties séparables et adapté à un arbre de grandes dimensions présentant une partie torsible,
- la figure 12 est une vue en coupe radiale selon le plan XII- XII de la figure 11,
- la figure 13 est une vue de détail en coupe axiale selon la ligne X1II-
XIII de la figure 14 montrant un exemple de dispositif de mesure de couple applicable au couplemètre des figures 11 et 12, et
- la figure 14 est une section selon la ligne Xt V de la figure 13.

La figure I montre deux tronçons d'arbre tournant 1, 2 reliés entre eux par un arbre de torsion 3 associé à un dispositif de mesure de couple conforme à l'invention. Lorsque le tronçon d'arbre tournant 2 est relié à un organe moteur tandis que le tronçon d'arbre tournant 1 est relié à un organe récepteur, ou vice versa, un couple C est transmis par l'organe moteur à l'organe récepteur à travers l'arbre de torsion 3. Les faces d'extrémité de l'arbre de torsion 3 qui sont reliées aux tronçons d'arbre 1 et 2 et constituent des faces de référence subissent un déplacement angulaire relatif Xqui est proportionnel au couple C appliqué.

Le dispositif selon l'invention, qui constitue un couplemètre magnétique, permet de déterminer de façon simple, fiable et peu coûteuse ce déplacement angulaire relatif X et, une fois l'étalonnage effectué, la valeur du couple C appliqué entre les tronçons d'arbre tournant 1 et 2.

Comme on peut le voir sur la figure 1, le couplemètre comprend essentiellement un comparateur angulaire magnétique constitué à l'aide d'un premier rotor 10 en matériau ferromagnétique, qui est ancré sur le tronçon d'arbre 1 au niveau de sa jonction avec l'arbre de torsion 3, et d'un deuxième rotor 20 également en matériau ferromagnétique, qui est ancré sur le tronçon d'arbre 2 au niveau de sa jonction avec l'arbre de torsion 3.

Chaque rotor 10, 20, qui est entraîné en rotation avec le tronçon d'arbre 1, 2 sur lequel il est ancré, comprend un corps principal rigide 11, 21 respectivement, qui est monté en porte-à-faux par rapport au tronçon d'arbre tournant correspondant 1, 2 et présente un jeu de dents 12, 22 du côté de son extrémité libre. Les dents 12, 22 des deux rotors 10, 20 en matériau ferromagnétique se font face à travers un entrefer. Du fait que les rotors 10, 20 sont liés rigidement aux tronçons d'arbre 1, 2 de part et d'autre de l'arbre de torsion 3, la surface en regard des deux jeux de dents 12 et 22 des deux rotors 10, 20, est directement liée à l'angle de torsion , qui varie linéairement avec le couple à mesurer. La réluctance globale de l'entrefer "dentelé" ménagé entre les dents 12 et 22 est donc une fonction directe du couple à mesurer, pour une géométrie donnée.

Selon l'invention, la réluctance tournante et sensible au couple de l'entrefer dentelé est bouclée sur un circuit magnétique extérieur 30, statique, de réluctance constante connue, grâce à deux entrefers de transfert 31, 32 qui assurent la continuité du flux entre le circuit magnétique extérieur 30 et les deux rotors 10,20 du comparateur angulaire magnétique.

En pratique, les entrefers de transfert 31, 32 sont réalisés entre des parties cylindriques non dentées des corps 11, 21 des rotors 10, 20 et des portions également cylindriques du corps 33 du circuit magnétique extérieur 30, qui est statique et rattaché à un bâti non représenté sur la figure 1. Les entrefers de transfert 31, 32 sont ainsi annulaires et limités par des parois lisses.

Un moyen d'excitation est associé au circuit magnétique extérieur non saturé 30 pour produire, à travers ce circuit magnétique extérieur 30 et les rotors 10 et 20 un flux magnétique qui dépend de la valeur de la réluctance "dentelée" créée entre les dentures 12 et 22 des rotors dentés 10, 20, et donc est fonction du couple à mesurer.

Le moyen d'excitation peut comprendre, comme représenté sur la figure 1, une bobine toroïdale 34 centrée sur l'axe 00' de l'arbre de torsion 3 et alimentée par un courant continu constant.

Le moyen d'excitation peut aussi être constitué par un ou plusieurs aimants permanents. Sur la figure 3, on a représenté deux aimants permanents 36, 37, de forme annulaire et concentriques à l'axe 00' de l'arbre de torsion 3.

Les aimants permanents 36, 37 sont disposés entre deux parties massives du corps cylindrique 33 du circuit magnétique extérieur 30 et définissent entre eux un entrefer annulaire de mesure 35 dans lequel est placée au moins une sonde à effet Hall 5 qui constitue un moyen de détection de la valeur du couple à mesurer comme cela sera explicité plus loin.

Les aimants permanents peuvent être réalisés de diverses manières.

Ainsi, à la place des aimants annulaires 36, 37, il est possible d'utiliser un ensemble de barreaux linéaires 38 disposés axialement côte à côte, à la façon d'un barillet de révolver, dans une partie cylindrique du corps 33 du circuit magnétique extérieur 30 (Fig 5).

Un entrefer de mesure annulaire 35 défini par des parois lisses, peut être formé dans le corps cylindrique 33 du circuit magnétique extérieur 30 (Fig. ou entre des aimants 36, 37 constituant les moyens d'excitation du circuit magnétique 30 (Fig. 3). L'induction dans l'entrefer de mesure 35 présente une répartition périphérique uniforme et par suite est proportionnelle au flux magnétique dépendant de la valeur de réluctance dentelée définie par les dentures 12, 22, lequel flux magnétique est ainsi proportionnel au déplacement angulaire relatifet au couple appliqué
En disposant dans l'entrefer central de mesure 35 ménagé dans le corps 33 du circuit magnétique extérieur 30, au moins une sonde à effet Hall 5, on obtient un signal électrique, qui peut être amplifié dans des circuits de traitement 50 disposés au voisinage même de la sonde 5, et qui ne dépend en première approximation que du couple à mesurer. Ce signal est un signal analogique, c'est-à-dire ayant une amplitude constante pour un couple appliqué constant, indépendant de la vitesse de rotation de l'arbre de torsion 3 et des arbres 1, 2.

Le couplemètre selon l'invention permet ainsi d'effectuer des mesures de couple à l'arrêt, et l'étalonnage du couplemètre peut lui aussi être réalisé par des moyens statiques.

Naturellement des circuits électroniques 50 associés à la sonde à effet
Hall 5 peuvent regrouper à la fois les circuits d'alimentation de cette sonde, les circuits d'amplification des signaux de mesure délivrés par cette sonde, et des circuits de compensation des dérives thermiques destinés à tenir compte des effets de la température au sein de l'arbre de torsion et des circuits électroniques eux-mêmes dans les environnements difficiles. Les corrections à effectuer pour obtenir la valeur du couple à partir du décalage angulaire relatif Y à des températures différentes peuvent être facilement déterminées lors des opérations d'étalonnage. Les circuits de traitement 50 peuvent encore comprendre le cas échéant un convertisseur analogique-numérique pour transformer le signal analogique de mesure en un signal numérique plus facile à exploiter.

Sur les figures 1 et 3, on a représenté un entrefer de mesure annulaire 35 réalisé spécifiquement entre deux parties distinctes du corps 33 du circuit magnétique extérieur, l'épaisseur de cet entrefer de mesure 35, défini par des parois lisses planes ou le cas échéant cylindriques, pouvant être déterminée par des entretoises 95 en matériau non magnétique (fig 1).

il est toutefois possible de conserver un circuit magnétique extérieur 30 comprenant un corps monobloc 33, comme représenté sur la figure 4. Dans ce cas, la sonde à effet Hall 5 peut être placée directement dans l'un des entrefers de transfert annulaires 31, 32 définis entre le circuit magnétique extérieur 30 et les rotors dentés 10, 20.

Le flux créé par le moyen d'excitation tel que la bobine 34 de la figure 1 et traversant le circuit magnétique extérieur 30 et les rotors dentés 10, 20 a été représenté par des traits interrompus et des flèches sur la figure 1.

Ce flux qui peut être créé par exemple par la bobine 34 alimentée par un courant continu constant régulé avec précision de façon à être indépendant de la température, est constant pour un couple donné. 1l est donc tout-à-fait possible de réaliser aussi bien le corps 33 du circuit magnétique statique 30 que les corps 11,21 des rotors dentés 10,20 en matériau massif non feuilleté, pour tous les cas où les modulations de couple en valeur relative et en fréquence sont faibles, ce qui correspond aux conditions de mesure les plus fréquentes en pratique. Ceci contribue grandement à simplifier la réalisation du couplemètre.

Dans le schéma de la figure 1, on a supposé que l'arbre de torsion et les tronçons d'arbre 1,2 sont réalisés en matériau non magnétique. Si ce n'est pas le cas, afin d'éviter qu'une partie du flux circulant dans les rotors dentés 10, 20 soit dérivée par l'arbre de torsion 3 et réduise la sensibilité du dispositif, on interpose entre au moins l'un des rotors dentés 10, 20 et la zone d'ancrage sur le tronçon d'arbre correspondant 1, 2 une pièce en matériau non magnétique, seules les parties du corps du rotor situées en regard du circuit magnétique extérieur 30 et portant les dents étant en matériau magnétique.

Dans tous les cas, les rotors dentés 10, 20 doivent rester suffisamment rigides de manière que la déformation angulaire propre à ces rotors dentés soit négligeable et qu'aucun couple significatif ne soit exercé sur ces pièces.

Les figures 1 et 2 concernent un mode de réalisation dans lequel les dents 12, 22 des rotors 10, 20 sont disposées axialement et sont inscrites dans des surfaces cylindriques coaxiales avec l'axe 00' de l'arbre de torsion 3. Les corps 11, 21 des rotors dentés 10, 20 présentent donc également une configuration générale qui est cylindrique et coaxiale avec l'axe 00'.

Selon un autre mode de réalisation, représenté schématiquement sur les figures 6 et 7, et dans des configurations plus particulières sur les figures 8, 9 et 10, les dents 112, 122 des rotors 110, 120 sont disposées radialement et sont inscrites dans des surfaces planes radiales par rapport à l'axe 00' de l'arbre de torsion 3.

Le principe de fonctionnement du couplemètre des figures 6 et 7 ou des figures 8 et 9 est tout-à-fait semblable à celui des figures 1 et 2, mais les configurations des rotors dentés 110, 120 ou du circuit magnétique extérieur 130 sont légèrement modifiées.

Ainsi, dans le cas de la figure 1, le corps cylindrique 33 du circuit magnétique extérieur 30 présente en demi-section axiale une forme de U avec les faces frontales d'extrémité des branches du U tournées vers les corps cylindriques 11, 21 des rotors dentés 10, 20 pour définir les entrefers de transfert lisses 31, 32.

Dans le cas des figures 6 et 7 au contraire, le corps cylindrique 133 du circuit magnétique extérieur 130 présente en demi-section axiale une forme de
U avec les faces latérales extérieures des branches du U tournées vers des parties cylindriques îîa, 121a des corps 111, 121 des rotors dentés 110, 120, pour définir les entrefers de transfert lisses 131, 132 dont le rôle fonctionnel est tout-à-fait analogue à celui des entrefers de transfert 31, 32 de la figure 1.

Le mode de réalisation des figures 6 et 7 conduit ainsi non pas à un simple alignement selon un même axe des rotors dentés 10, 20 comme selon la figure 1, mais à une concentricité partielle des rotors 110, 120 qui présentent des portions cylindriques concentriques villa, 121a de diamètre différent définissant un espace annulaire dans lequel est disposé le circuit magnétique extérieur 130.

Les dents 112, 122 des rotors 110, 120 sont disposées aux extrémités de parties radiales 111b, 121b des corps 111, 121 des rotors 110, 120, et peuvent se présenter par exemple sous la forme représentée sur la figure 9. Cette forme de dent n'est toutefois nullement limitative et d'autres configurations sont possibles.

On a représenté sur la figure 6 un rotor denté 120 en deux parties avec une pièce d'ancrage 123 en matériau non magnétique rapportée sur le tronçon d'arbre 2 au voisinage de l'extrémité de l'arbre de torsion 3, et une pièce 121 en matériau ferromagnétique pouvant être massif pour constituer la partie magnétiquement active du corps du rotor denté 120.

La pièce 121 présente ainsi, comme indiqué précédemment, une partie radiale plane 121b à l'extrémité libre de laquelle sont formées les dents 122, et une partie cylindrique 121a placée en regard du circuit magnétique extérieur 130.

Le circuit magnétique extérieur statique 130 peut être réalisé de la même façon que le circuit magnétique extérieur 30 de la figure 1 et peut coopérer avec un moyen d'excitation constitué aussi bien par un aimant permanent que par une bobine toroidale 134. Comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 1, un entrefer annulaire central de mesure 135 peut être réalisé entre deux parties 133a,133b du corps 133 du circuit magnétique extérieur 130, avec des entretoises 195 en matériau non magnétique pour définir l'épaisseur de cet entrefer (figures 6 et 7). Les entrefers de transfert 131, 132 pourraient toutefois être également utilisés le cas échéant pour le logement d'une sonde à effet Hall 5,comme selon la variante précitée de la figure 4.

Bien qu'une seule sonde à effet Hall 5 suffise à la mesure du couple exercé sur l'arbre de torsion 3, on peut, pour des raisons de fiabilité, disposer dans entrefer de mesure 135 plusieurs sondes à effet Hall 51 à 54 afin de créer une redondance. Chacune des sondes à effet Hall 51 à 54 mesure le même flux dans l'entrefer annulaire commun 135 et peut posséder son propre circuit électronique associé. Par comparaison ou combinaison des signaux délivrés par deux, trois ou quatre sondes différentes 51 à 54, on peut détecter l'éventuelle défaillance de l'une des sondes et assurer ainsi une excellente fiabilité sans que l'encombrement du couplemètre soit augmenté.

Les figures 8 et 9 montrent un exemple particulier de réalisation d'un couplemètre qui correspond tout-à-fait dans sa conception au mode de réalisation des figures 6 et 7 et se trouve bien adapté à la mesure des couples en laboratoire avec tous les avantages de fiabilité, robustesse, possibilité de mesure du couple dans les deux sens de rotation et à l'arrêt et étalonnage réalisable en statique.

Les extrémités du tronçon d'arbre 1, 2 sur lesquelles est emmanché l'arbre de torsion 3 sont montées dans des paliers 161, 162 par rapport à un boîtier extérieur 104 en deux parties 141, 142 qui entoure l'arbre de torsion 3 et l'ensemble des divers éléments 110, 120, 130, 150 qui composent le couplemètre et sont disposés autour de l'arbre de torsion 3.

Le circuit magnétique extérieur 130, avec le circuit statique 133 et la bobine d'excitation 134, est rapporté directement sur l'une des parties 141 du boîtier 104, tandis que les rotors dentés 110, 120 sont ancrés sur les extrémités de l'arbre de torsion 3 emmanchées sur les tronçons d'arbre tournant 1, 2.

Les circuits électroniques de traitement 150, qui sont associés à une ou plusieurs sondes à effet Hall 5 disposées dans l'entrefer de mesure 135 du circuit magnétique extérieur 130, sont disposés dans un logement situé à proximité immédiate du circuit magnétique 130 à l'intérieur du boîtier 104. La paroi du logement contenant les circuits 150 peut être en matériau non magnétique et présenter des excroissances qui sont insérées dans l'entrefer de mesure 135 pour constituer des entretoises 195 qui assurent la constance mécanique de cet entrefer 135.

Si l'on considère plus particulièrement la figure 9, et par analogie la figure 2, on a représenté un décalage angulaire initial O(inon nul entre les dents 112 du rotor denté 110 (respectivement les dents 12 du rotor 10) et les dents 122 du rotor denté 120 (respectivement les dents 22 du rotor 20), pour un couple extérieur nul. Le décalage angulaire initial d; peut être compris entre zéro et deux fois la demi-largeur do d'une dent, selon les applications envisagées. Dans le cas où l'on désire mesurer des décalages angulaires relatifs dans les deux sens, il est préférable de

Pour garantir une linéarité des mesures, il est préférable que le décalage angulaire maximal autorisé Ymax entre les deux rotors dentés 110, 120 (resp.

10, 20)soit inférieur à environ la moitié de la demi-largeur de dent(0.

A titre d'exemple,le décalage angulaire maximal autorisé Y max peut être de l'ordre du tiers de la demi-largeur de dento.

Dans ces conditions, la linéarité de la variation de perméance en fonction du décalage angulaire relatif reflétant le couple à mesurer, peut être assurée. Le règlage correspondant à un couple nul peut être obtenu électroniquement.

La courbe utile donnant le couple appliqué à l'arbre de torsion en fonction du décalage angulaire entre les rotors dentés 10, 20 ou 110, 120 doit rester linéaire et réversible, sans hystérésis. Cette courbe présente une première limite, selon laquelle le décalage angulaire relatif maximum Ymax doit rester dans tous les cas inférieur ou égal à la demi-largeur de dentO(p,et une deuxième limite, selon laquelle le couple exercé pour le décalage angulaire maximumYmax doit rester inférieur au couple qui permet d'atteindre la limite élastique de l'arbre de torsion 3.

Si le couple appliqué dépasse, par fausse manoeuvre, ou par accident, la valeur de la limite élastique de l'arbre de torsion 3, celui-ci n'est plus utilisable en tant qu'instrument de mesure du fait qu'il a subi une déformation permanente ou une cassure.

Par ailleurs, comme cela a été indiqué plus haut, si le décalage angulaires devient trop important par rapport à la valeur do de la demi-largeur de dent, la courbe de variation de perméance en fonction du décalage angulaire < peut perdre son caractère de linéarité.

Afin à la fois de protéger l'arbre de torsion 3 contre les surcouples accidentels et de maintenir le déplacement angulaire relatif entre les rotors dentés dans une plage de valeurs inférieure à la demi-largeur de denrO(0,il est utilement mis en oeuvre, comme dans le mode de réalisation des figures 8 et 9 un dispositif de protection mécanique limitant les déplacements angulaires relatifs entre les rotors dentés 110, 120.

Ce dispositif de protection mécanique peut être simplement constitué par un ou plusieurs doigts 171 ou autres éléments mâles solidaires de l'un des rotors dentés, ces doigts 171 étant engagés avec jeu dans une cavité femelle 172 liée à vautre rotor denté, le dimensionnement relatif d'un doigt 171 par rapport à la cavité correspondante 172 interdisant tout déplacement angulaire entre les deux rotors 110, 120 qui sont supérieurs aux valeurs maximales autorisées qui peuvent correspondre par exemple à +o( o où o( o est la demi-largeur de dent.

Sur les figures 8 et 9 on voit trois doigts 171 solidaires du rotor denté 120, qui sont engagés dans des trous 172 formés dans le rotor denté 110.

Sur les figures 8 et 9, la référence 181 désigne des éléments d'assemblage d'une partie ferromagnétique 121 du rotor 120 avec une partie non magnétique 123 assurant un-ancrage sur l'extrémité de l'arbre de torsion 3 emmanchée sur le tronçon d'arbre 2.

Comme on peut le voir sur la figure 9, le nombre de dents 112, 122 des rotors dentés 110, 120 peut être réduit, par exemple compris entre six et douze.Toutefois, dans le cas d'application à des arbres de très gros diamètre, de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres, le nombre de dents peut être beaucoup plus élevé. L'épaisseur des dents (par exemple les dents 112) d'un rotor peut également être légèrement différente de la largeur des dents (par exemple les dents 122) de l'autre rotor, afin d'éviter des fluctuations parasites qui seraient dues à des vibrations et non un simple décalage angulaire relatif entre les rotors.

La figure 10 montre une variante de réalisation du couplemètre des figures 8 et 9, dans laquelle l'arbre de torsion 3a est creux et peut être rapporté sur des extrémités d'arbres tournants par une extrémité lb munie de cannelures et une extrémité 2b en forme de bride. Ce couplemètre de petites dimensions comprend des rotors dentés 110, 120 qui sont ancrés sur les extrémités lb, 2b de l'arbre de torsion 3a et présentent une configuration très proche de celle des rotors 110, 120 du mode de réalisation des figures 8 et 9. Pour cette raison, les éléments correspondants portent les mêmes références. Le circuit magnétique extérieur 130 est lui aussi semblable au circuit magnétique 130 des figures 8 et 9. Toutefois, sur la figure 10 on a représenté un moyen d'excitation constitué par un aimant permanent 136 plutôt que par une bobine toroidale 134.

Le mode de réalisation de la figure 10 est bien adapté à la mesure de couples de turbomachines, par exemple en aéronautique.

Le mode de réalisation des figures 8 et 9 peut lui-même avantageusement être incorporé dans une servo-commande. Le signal de sortie du couplemètre qui est fonction du couple appliqué à l'arbre de torsion 3 qui traverse le couplemètre peut contrôler un servo-moteur associé à la servo commande, par exemple dans le cadre d'une application à une direction assistée électriquement pour un véhicule routier.

Dans le cas notamment de dispositifs de grande dimension, tels que des arbres d'hélice de marine, de concasseur, de turbo-alternateur, où il n'est pas possible d'introduire un arbre de torsion spécifique dans la chaîne cinématique et où le montage du couplemètre doit pouvoir s'effectuer sans aucun démontage de cette chaîne, l'arbre réel, sur une portion de celui-ci , peut servir d'arbre de torsion.

Ce cas est représenté sur les figures i1 et 12 qui montrent des rotors dentés 210, 220 de comparateur magnétique réalisés en deux parties sous la forme de demi-cylindres, raccordés par des brides 215a, 215b; 216a, 216b; 223a, 223b selon deux génératrices diamétrales de façon à permettre une installation du couplemètre sans démontage de l'arbre. Le circuit magnétique extérieur 230 est aussi modifié par rapport aux modes de réalisation précédemment décrits et ne constitue pas un cylindre complet concentrique aux rotors dentés 210, 220, mais comprend simplement un ou plusieurs corps 233 de circuit magnétique munis chacun de moyens d'excitation magnétique, qui ne s'étendent autour des rotors dentés 210, 220 que sur un ou plusieurs secteurs angulaires ne constituant qu'une portion de la périphérie des rotors dentés 210, 220.

De façon plus particulière, on voit sur la figure 11 un arbre tournant unique de grandes dimensions comprenant entre des sections 1, 2 une partie torsible 3b, l'arbre étant supporté au voisinage de sa section 2 par un palier classique 240, par exemple, un palier hydraulique monté sur un socle 245. Le carter du palier 240 peut ainsi servir de support pour les éléments du circuit magnétique extérieur 230 réalisé en plusieurs parties 260.

Le circuit magnétique extérieur 230 peut comprendre un ou plusieurs, par exemple 2, 3 ou 4 ensembles 260 identiques et comprenant chacun, tel qu'illustré sur les figures 13 et 14, un moyen d'excitation magnétique 236 à 239 et un corps 233 comprenant deux éléments massifs 233a, 233b en matériau magnétique définissant des épanouissements en forme de portion de cylindre placés respectivement en regard des couronnes hemicylindriques 213a, 213b et 22ira, 221b en matériau ferromagnétique faisant partie des deux ensembles de rotors dentés 210,220 définissant un comparateur magnétique.

Le moyen d'excitation magnétique 236 à 239 peut comprendre deux plots magnétiques alignés 236, 237 solidaires respectivement des éléments massifs 233 a, 233b et définissant entre eux un entrefer de mesure 235 dans lequel est placée une sonde de mesure à effet Hall 5. Les plots magnétiques 236,237 peuvent être entourés par des bobines d'induction 238,239 alimentées par un courant constant, ou par des aimants permanents. Les couronnes formées des éléments hémicylindriques 213a, 213b et 221a, 221b présentent une partie périphérique lisse pour définir des entrefers de transfert 231 et 232 avec les éléments massifs 233 a, 233b respectivement. Des dents 212, 222 orientées axialement prolongent les couronnes 213a, 213b et 221a, 221b en matériau ferromagnétique et définissent entre elles un entrefer, comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2. Le flux à travers les dents 212, 222 portées par les couronnes 213 a, 213b, 221 a, 221b est canalisé par ces couronnes vers les entrefers de transfert 231, 232, les éléments massifs 233a, 233b et 236, 237.(fig. 13). Sur la figure 12 on a représenté la mise en oeuvre de quatre ensembles de détection 260 identiques munis chacun d'une sonde à effet Hall et répartis à la périphérie des rotors dentés 210, 220 pour assurer une redondance.

Le comparateur angulaire magnétique de la figure i1 comprend un rotor denté 220 constitué par deux demi-couronnes dentées 221a, 221b qui sont ancrées directement sur le tronçon d'arbre 2 dans un plan radial A situé au voisinage du palier 240, et un deuxième rotor denté 210 qui comprend deux demi-bagues 211a, 211b, en matériau non magnétique, assurant un ancrage sur le tronçon d'arbre 1 dans un plan radial B situé à une certaine distance du plan radial A et du rotor denté 220, le tronçon d'arbre torsible 3b étant défini entre les plans radiaux A et B. Le rotor denté 210 comprend des portions hémicylindriques rigides 217, 218, pouvant être réalisées par exemple sous la forme d'une tôle roulée, mais qui pourraient également être réalisées sous la forme d'une cage d'écureuil .Les portions hémicylindriques rigides 217, 218 s'étendent autour du tronçon d'arbre torsible 3b et relient les deux demi-bagues d'ancrage 21 lob, 211a aux deux demi-couronnes dentées 213b, 213a en matériau ferromagnétique qui sont placées en regard des demi-couronnes dentées 221b, 221a directement ancrées au niveau du plan radial A.

Afin d'amortir des variations de flux parasites dues à des défauts cinématiques de l'arbre 3b entraînant des flexions ou des vibrations, des spires en court-circuit 251, 252 peuvent être disposées autour de chacune des dents 212 respectivement 222 des rotors dentés 210, 220 du comparateur angulaire magnétique.

Un capteur tachymétrique 270 peut également être disposé dans l'un au moins des ensembles 260 (fig. 14).

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Couplemètre magnétique pour la détermination du couple exercé sur un ensemble tournant comprenant des première et deuxième sections d'arbre tournant (1,2) réunies par un arbre de torsion (3; 3a; 3b), le couple appliqué à l'arbre de torsion (3;3a;3b) étant déduit de la mesure de l'angle de torsion ( < ) entre les première et deuxième sections d'arbre tournant (1, 2), carac térisé en ce qu'il comprend: a) un comparateur angulaire magnétique (10, 20; 110, 120; 210, 220) comprenant un premier rotor denté (10; 110; 210) en matériau ferromagnétique ancré au voisinage de la première section d'arbre toumant (1), et un deuxième rotor denté (20; 120; 220) en matériau ferromagnétique ancré au voisinage de la deuxième section d'arbre tournant (2), les dents (12; 112; 212) du premier rotor denté (10; 110; 210) étant disposées en regard des dents (22; 122; 222) du deuxième rotor denté (20; 120; 220) en définissant un entrefer,le circuit magnétique défini par les premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 110, 120; 210, 220) étant interrompu par au moins une pièce en matériau non magnétique (3; 123; 211a, 21 lob) au niveau de l'ancrage des premier et deuxième rotors dentés sur l'ensemble tournant (1, 2, 3), b) un circuit magnétique extérieur à réluctance définie constante (30; 130; 230) comprenant un circuit statique (33; 133; 233) en matériau ferromagnétique présentant des première et deuxième extrémités disposées en regard respectivement de parties cylindriques non dentées des premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 110, 120; 210, 220) en définissant respectivement des premier et deuxième entrefers de transfert (31, 32; 131, 132; 231, 232) avec lesdits premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 110, 120; 210, 220), et des moyens d'excitation (34; 134; 36, 37; 38; 236 à 239, 236' à 239') pour créer un champ magnétique dans le circuit magnétique extérieur, et c) au moins une sonde à effet Hall (5) disposée dans un entrefer de mesure (35; 135; 32; 235, 235') défini dans le circuit magnétique extérieur (30; 130; 230) pour fournir à un circuit de traitement (50; 150) un signal électrique analogique présentant une amplitude proportionnelle au couple appliqué à l'arbre de torsion (3; 3a; 3b) indépendamment de la vitesse de rotation de cet arbre de torsion (3; 3a; 3b)

2. Couplemètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 210, 220) comprennent des dents (12, 22; 212,222) orientées axialement et réparties sur des surfaces cylindriques.

3. Couplemètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième rotors dentés (110, 120) comprennent des dents (112, 122) orientées radialement et réparties sur des surfaces sensiblement planes.

4. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'en l'absence de couple extérieur, le décalage angulaire initialL) entre les positions angulaires des dents (12; 112; 212) du premier rotor denté (10; 110; 210) et les positions angulaires des dents (22; 122; 222) du deuxième rotor denté (20; 120; 220) est compris entre zéro et la largeur d'une dent et de préférence égal à une demi-largeur de dent (do).

5. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le décalage maximal autorisé (?(maux) par rapport à la position initiale entre les premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 110, 120; 210, 220) est inférieur ou égal à environ le quart de la largeur (20tu) d'une dent.

6. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de protection mécanique limitant les déplacements angulaires relatifs entre les premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 110, 120; 210, 220) de manière à limiter le couple maximal applicable à l'arbre de torsion (3; 3a; 3b), et en ce que le dispositif de protection mécanique comprend au moins un élément mâle (171) solidaire de l'un (120) des premier et deuxième rotors dentés (110, 120) et au moins un élément récepteur femelle (172) solidaire de l'autre (110) des premier et deuxième rotors dentés (110, 120) pour recevoir avec un jeu prédéterminé ledit élément mâle (171).

7. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent une bobine d'induction toroidale (34; 134) centrée sur l'axe de l'arbre de torsion (3) et alimentée par un courant continu constant

8. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent au moins un aimant permanent (36, 37, 38).

9. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit magnétique extérieur (230) comprend un circuit statique qui s'étend en regard d'une portion seulement des parties cylindriques non dentées des premier et deuxième rotors dentés (210, 220) correspondant à un nombre limité de secteurs angulaires.

10. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le circuit magnétique extérieur à réluctance définie constante (30; 130; 230) comprend un circuit statique massif (33; 133; 233) et en ce que les premier et deuxième rotors dentés (10, 20; 110, 120; 210, 220) sont également réalisés en un matériau massif.

11. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la sonde à effet Hall (5) est placée dans un entrefer de mesure spécifique (35; 135; 235, 235') formé dans le circuit magnétique extérieur à réluctance définie constante (30; 130; 230) et défini par des entretoises non magnétiques (195).

12. Couplemètre selon rune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'entrefer de mesure dans lequel est placée la sonde à effet

Hall (5) est constitué par l'un (32) des premier et deuxième entrefers de transfert (31 > 32).

13. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 > caractérisé en ce que le circuit (50; 150) d'alimentation de la sonde à effet Hall (5) et de traitement du signal électrique analogique délivré par ladite sonde (5) est disposé au voisinage immédiat du circuit magnétique extérieur à réluctance définie constante (30; 130; 230).

14. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sondes à effet Hall (51 à 54) disposées dans un même entrefer de mesure annulaire (135) pour assurer une redondance des mesures.

15. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que chaque dent (212, 222) de chacun des premier et deuxième rotors dentés (210, 220) est entourée d'au moins une spire en courtcircuit (251,252) pour amortir les variations de flux parasites dues aux défauts cinématiques de l'arbre de torsion (3b).

16. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'arbre de torsion (3a) est creux.

17. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il est incorporé dans un dispositif de servo commande d'un servo moteur, tel qu'un servo moteur d'une direction assistée électriquement d'un véhicule routier.

18. Couplemètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'arbre de torsion (3b) est constitué directement par un tronçon d'arbre torsible d'un arbre existant (1, 2) et en ce que le couplemètre est réalisé en deux parties démontables pour permettre son installation sans démontage de l'arbre (1, 2).

19. Couplemètre selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'un (210) des premier et deuxième rotors dentés (210, 220) comprend deux demi-bagues (211a, 211b) d'ancrage sur l'arbre (1,2) soidaires chacune d'une portion hémicylindrique rigide (217, 218) s'étendant autour du tronçon d'arbre torsible (3b) et portant chacune, à leur extrémité éloignée des demi-bagues d'ancrage (211a, lob), une demi-couronne dentée (213a, 213b) située en regard d'une autre demi-couronne dentée (221a, 221b) ancrée directement sur l'arbre (1, 2) et faisant partie de l'autre (220) des premier et deuxième rotors dentés (210, 220).