WO2014125236A1 - Capteur electromagnetique de deplacement lineaire - Google Patents

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WO2014125236A1
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turns
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winding
linear displacement
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Christian Foucher
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Safran Electronics and Defense Actuation SAS
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Zodiac Actuation Systems SAS
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    • 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
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    • 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
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    • G01D5/2258—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 differentially influencing two coils by influencing the mutual induction between the two coils by a movable ferromagnetic element, e.g. core
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    • G01D5/22—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 differentially influencing two coils
    • G01D5/2291—Linear or rotary variable differential transformers (LVDTs/RVDTs) having a single primary coil and two secondary coils

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic linear displacement sensor comprising at least one primary winding for inducing a voltage across at least two secondary windings as a function of the position of a movable magnetic element for coupling the magnetic flux generated by the primary winding.
  • the present invention will find its application in the field of linear electromagnetic sensors of the differential or ratiometric type.
  • such sensors usually comprise a transformer, made of a magnetic material, adopting the shape of a cylinder, traversed axially by a bore, and in which are coaxially embedded three windings, namely a primary winding and two secondary windings, positioned on either side of the primary winding.
  • Such sensors comprise, again, an element, made of a magnetic material (more particularly ferromagnetic), and slidably mounted inside the bore of the transformer cylinder.
  • These sensors also comprise a control rod, connected to an object whose displacement is desired, on which the movable magnetic element is mounted, and through which the displacement of the object of which it is desired to know is transmitted. displacement, this to this movable magnetic element.
  • This control rod passes through, necessarily, the bore of the transformer cylinder and is fixed only on one side so that its mounting is made cantilever.
  • Such a sensor if properly designed, is able to give a response proportional to the displacement of the movable magnetic element relative to the cylinder of the transformer.
  • an induction voltage very often of sinusoidal shape, coming to generate, in the secondary windings, induced voltages which are a function of the axial position of the movable magnetic element which is slidably mounted in the bore axially traversing said cylinder.
  • Another embodiment particularly known from document US Pat. No. 7,317,371, consists of a sensor comprising, on the one hand, a primary winding adopting a cylindrical shape and, on the other hand, two secondary windings, concentric with the primary winding, inversely proportional type or symmetrical type while adopting a provision in opposition.
  • the primary winding is subjected to a power supply to generate, in the secondary windings, an induced voltage proportional to the positioning of a magnetic element (more particularly ferromagnetic) mounted movably inside the cylinder of the primary winding.
  • this movable magnetic element is mounted on a control rod, connected to an object whose displacement is to be known, and is fixed only on one side so that its mounting is carried out overhang, or traversing, from one side to the other, the primary winding to be guided on both sides of the latter.
  • the control rod on which is mounted the movable magnetic element and requiring such guidance, must necessarily be able to extend over a distance corresponding to at least twice the total travel of this mobile magnetic element.
  • the minimum size of such a sensor corresponds to about twice the length of the primary winding, respectively about twice the length of the transformer cylinder.
  • EP-0.614.201 also discloses a transformer and an electromagnetic linear displacement sensor using such a transformer.
  • This transformer comprises a primary winding, two secondary windings, a fixed core and a movable magnetic coupling armature of the flux generated by the primary winding which induces a voltage across the secondary windings as a function of the position of this mobile coupling armature.
  • the primary and secondary windings are wrapped around the fixed core and are positioned around this core, so that the primary winding is interposed between the two secondary windings.
  • said movable armature is defined by a tubular armature mounted axially movable around the primary and secondary windings.
  • the primary winding is positioned between the two secondary windings.
  • a first disadvantage of this positioning is that this transformer has a large footprint, particularly a long length.
  • Another disadvantage of this positioning is that the moving armature must extend over the primary winding and over at least one secondary winding so that the mobile armature has significant dimensions, in particular a long length , therefore a large size, but also a significant weight.
  • Such a congestion and such weight make the mobile armature has a significant inertia and require, for appropriate movement of the mobile armature, to provide additional means for guiding the mobile armature that complicate the design and manufacture of this transformer.
  • Other disadvantages of this transformer are that it is insensitive and imprecise.
  • the invention relates to a linear displacement electromagnetic sensor comprising at least one primary induction winding of a voltage across at least two secondary windings as a function of the position of a mobile magnetic coupling magnetic element.
  • the flux generated by the primary winding, this movable magnetic element being defined by a ring mounted axially movable around the primary and secondary windings which wind around a fixed core that includes the electromagnetic sensor linear displacement.
  • the fixed core is magnetic while the primary winding envelops the secondary windings.
  • Another characteristic consists in that the primary winding and / or the secondary winding or windings comprise a plurality of superposed layers of coaxial turns, preferably contiguous.
  • At least the primary winding has, axially, a constant density of layers of contiguous turns.
  • the number of layers of turns of at least one secondary winding varies, especially linearly.
  • An additional feature is that at least the primary coil has an outer side having a cylindrical surface while the ring has an inner side, oriented at least toward the outer side of the primary coil, and having a cylindrical surface.
  • the fixed magnetic core, the primary winding, the secondary windings and the movable magnetic element are coaxial.
  • the movable magnetic element is mounted axially around the primary and secondary windings, more particularly around the primary winding.
  • the guidance of this movable magnetic element is therefore appropriately provided by these coils (more particularly by the primary winding), this over a distance corresponding, as the case may be, to the length of this primary winding and / or to the stroke of this movable magnetic element with respect to this primary winding.
  • This characteristic advantageously makes it possible to reduce the overall bulk of such a sensor with respect to the sensors of the state of the art, this space being then little greater than that of the travel of the mobile magnetic element, or even the length of the primary winding.
  • the primary winding envelops the secondary windings.
  • FIG. 1 is a schematic view, from the front and in axial section of a sensor according to the invention and corresponding to a first embodiment of a first embodiment;
  • FIG. 2 is a schematic and side view of the sensor illustrated in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic view of the variation of the output voltage of the secondary windings as a function of the position of the mobile magnetic element, for the sensor illustrated in FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 4 is a schematic front view, in axial section, of a sensor according to the present invention and corresponding to a second embodiment of the first embodiment;
  • FIG. 5 is a schematic view, front and axial section of a sensor corresponding to a second type of embodiment.
  • the present invention relates to the field of electromagnetic linear sensors of the differential or ratiometric type.
  • the invention thus relates, more particularly, to an electromagnetic linear displacement sensor 1, in particular designed to determine the displacement and / or the position of an object associated with such a sensor.
  • Such a sensor 1 comprises at least one primary winding 2 capable of being connected to a source of electrical energy, more particularly to an alternating voltage source.
  • Such a sensor 1 also comprises at least two secondary windings (3; 4) which can be connected to one another in series and / or in phase opposition.
  • Such a sensor 1 comprises, again, at least one fixed magnetic part 5 designed to perform the magnetic coupling of a flux generated by the primary winding 2.
  • Such a sensor 1 comprises, also, at least one movable magnetic element 6 connected to the object whose displacement and / or position is to be determined.
  • a mobile magnetic element 6 is designed to perform the magnetic coupling of the flux generated by the primary winding 2, more particularly to perform the magnetic coupling of the flux lines generated by the primary winding 2, this with the fixed magnetic part 5.
  • this induced voltage is a function of the position of the movable magnetic element 6, which then makes it possible to determine the displacement and / or the position of the object.
  • the linear displacement electromagnetic sensor 1 comprises a fixed magnetic core 50 around which the primary and secondary windings 2 (3; 4) wind while the movable magnetic element 6 is defined by a ring 60 mounted movably. axially around the primary windings 2 and secondary (3; 4).
  • said fixed magnetic core 50 constitutes said fixed magnetic part 5 mentioned above.
  • such a fixed magnetic core 50 extends along an axis 7 in which extends, then also, the sensor 1 according to the invention.
  • Such a fixed magnetic core 50 adopts the shape of a cylinder (hollow or, preferably, solid) and has a length at least equal (or, preferably, greater than) the primary winding 2 and / or coils secondary (3; 4).
  • this fixed magnetic core 50 passing through these coils (primary 2 and secondary 3; 4), advantageously allows the flow generated by the primary winding 2 to fully penetrate the secondary windings. (3; 4), more particularly to fully penetrate the successive layers that these secondary windings (3; 4) and which will be described in more detail below.
  • the senor 1 also comprises at least one electrically insulating layer 8 which is then interposed between, on the one hand, the fixed magnetic core 50 and, on the other hand, these primary windings 2 and secondary (3; 4).
  • Such an insulating layer 8 is designed to ensure the protection of these windings (2; 3; 4).
  • this insulating layer 8 is constituted by an adhesive insulating paper covering at least partly (but preferably completely) said fixed magnetic core 50.
  • the senor 1 comprises a fixed magnetic core 50 around which the primary windings 2 and secondary windings (3; 4) wind.
  • FIGS. 1 to 4 show a first type of embodiment of the sensor 1 according to the invention corresponding to a first type of arrangement of the windings (2; 3; 4) of this sensor 1.
  • the primary winding 2 envelops the secondary windings (3; 4) which are wound around the fixed magnetic core 50. This primary winding 2 then wraps around these secondary windings (3; 4).
  • the primary winding 2 and / or the secondary winding or windings (3; 4) comprise a plurality of superposed layers of coaxial turns, preferably contiguous.
  • each turn describes a circle whose center coincides with the axis 7 of the fixed magnetic core 50.
  • such a layer of coaxial turns adopts, more particularly, the form of a tube of coaxial turns.
  • the tubular layers of coaxial turns of the coils (2; 3; 4) are superimposed and coaxial.
  • the number of layers of turns of at least one secondary winding (3; 4) varies, especially linearly.
  • the secondary winding 3 whose number of layers of turns decreases fits into the winding 4 whose number of layers of turns increases.
  • the number of layers of turns that axially comprises one of the secondary windings (3; 4) is inversely proportional to the number of layers of turns that comprises, axially, the other secondary winding (4; ).
  • FIG. 3 shows the evolution of the voltage induced by the primary winding 2 in such secondary windings (3; 4), as a function of the position of the movable magnetic element 6.
  • This first embodiment allows operation of the sensor 1 in a ratiometric manner.
  • the secondary winding 3 whose number of layers of turns decreases succeeds the secondary winding 4, the number of layers of turns increases.
  • these secondary windings (3; 4) are, then, juxtaposed axially and may be, as the case may be, contiguous or spaced apart (FIG. 4).
  • these secondary coils (3; 4) are, then, positioned head to tail.
  • This second embodiment allows operation of the sensor 1 in a differential manner.
  • Another characteristic of this first type of embodiment consists in that the number of layers of turns which axially comprises the one of the secondary windings (3; 4) is symmetrical to the number of layers of turns that comprise, axially, the another secondary winding 4, this with respect to a median plane perpendicular to the axis 7.
  • the number of coil layers of at least one secondary winding (preferably two secondary windings 3; 4) varies, axially, in a progressive manner, or even (and preferably) proportional to the length of this secondary winding (3; 4).
  • the axial distribution of the turns of the secondary windings (3; 4) is preferably constant in turns per square millimeter.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the sensor 1 in which, on the one hand, the primary winding 2 and the secondary windings (3; 4) are wound around the fixed magnetic core 50 and, on the other hand, the primary winding 2 is interposed between the secondary windings (3; 4).
  • each secondary winding (3; 4) comprises, axially, the same number of layers of turns.
  • this first embodiment allows operation of the sensor 1 in a ratiometric manner.
  • the secondary windings (3; 4) are symmetrical relative to a median plane perpendicular to the axis 7.
  • the number of layers of turns of at least one secondary winding (3; 4) varies, especially linearly.
  • at least the primary winding 2 comprises, axially, a constant density of layers of contiguous turns.
  • the axial distribution in turns of the primary winding 2 is constant in turns per square millimeter. In fact, this distribution depends solely on the value of the impedance of the primary winding 2 which is sought.
  • the senor 1 has nonmagnetic walls 9 fitted to the lateral ends (30; 40) of the secondary windings (3; 4).
  • the senor further comprises a shield (magnetic type) covering at least the movable magnetic element 6 and a portion of the primary winding 2 and extending over at least a part of the length of the winding 2 and / or at least part of the circumference of this primary winding 2.
  • a shield magnetic type covering at least the movable magnetic element 6 and a portion of the primary winding 2 and extending over at least a part of the length of the winding 2 and / or at least part of the circumference of this primary winding 2.
  • such a shielding covers the movable magnetic element 6 and the entire length of the primary winding 2, this over a majority of the circumference of this primary winding 2.
  • this shield advantageously makes it possible to eliminate external magnetic disturbances.
  • the senor 1 comprises a movable magnetic element 6 defined by a ring 60 mounted axially movable around the primary windings 2 and secondary (3; 4).
  • the coils (primary 2 and secondary 3; 4) are interposed between the magnetic part fixed 5 (fixed magnetic core 50) and the movable magnetic element 6 (movable magnetic ring 60).
  • this movable magnetic element 6 is made of a ferromagnetic material.
  • At least the primary winding 2 comprises an outer side 20 having a cylindrical surface while the ring 60 has an inner side 600, oriented at least towards the outer side 20 of the primary winding 2, and having a cylindrical surface.
  • the primary winding 2 which then comprises such an outer side 20 while the ring 60 has an inner side 600, oriented towards the outer side 20 of this winding primary 2, and having a cylindrical surface.
  • the ring 60 is axially movable around the primary and secondary windings 2 (3; 4), more particularly around the outer side 20 of this primary winding 2.
  • the primary 2 and secondary windings (3; 4) which comprise such an outer side (20; 31; 41) while the ring 60 has an inner side 600 oriented in the direction on the outer side (20; 31; 41) of these primary and secondary coils (3; 4) and having a cylindrical surface.
  • the ring 60 is axially movable around the primary and secondary coils 2 (3; 4), more particularly around the outer side (20; 31; 41) of these coils (2; 3; 4). .
  • this ring 60 has an outer side 601 having a cylindrical surface coaxial with the cylindrical surface of its inner side 600.
  • the ring 60 has a rectangular section. In fact and as visible in the appended figures, this ring 60 adopts the shape of a hollow cylindrical tube, more particularly a cylindrical tube of revolution.
  • a mobile element 6 adopting the shape of such a ring 60 advantageously makes it possible to accentuate the robustness of the sensor 1, more particularly at the level of the mobile part of this sensor 1.
  • the fixed magnetic part 5 (fixed magnetic core 50), the primary winding 2, the secondary windings (3; 4) and the movable magnetic element 6 (ring 60) are coaxial.
  • this sensor 1 comprises a primary winding 2 which is designed to be supplied with electrical energy, more particularly with an alternating voltage.
  • this primary winding 2 induces a voltage across the secondary windings (3; 4).
  • this level of voltage induced in the secondary coils (3; 4) is determined by the total number of flux lines cut by each secondary winding (3; 4), this when the primary winding 2 is supplied with electrical energy. More precisely, the number of flux lines cut by each secondary winding (3; 4) is directly proportional, on the one hand, to the surface of the magnetic circuit defined by the common surface between the fixed core 50 and the movable ring 60 and, secondly, the number of turns directly defined by the axial position of the ring 60.
  • FIG. 3 shows the evolution of the output voltages of the secondary windings (3; 4) as a function of the axial position (along the axis 7) of the movable magnetic element 6, for a voltage of supply of the primary winding 2 determined and for a ratiometric sensor, in particular according to the first embodiment of the first embodiment of the sensor 1 according to the invention.
  • the position of the equilibrium of the output voltages of the secondary windings (3 4) is situated at the equilibrium of the secondary windings (3; 4) corresponding, more particularly, to the position for which the number of turns of each of the secondary windings (3; 4) traversed by the flow is identical.
  • the magnetic element 6 (ring 60), associated with an object whose position and / or displacement is desired to be known, is axially movable around the primary winding 2.
  • the displacement of this object causes an axial translation of the ring 60 along the primary winding 2 which causes a variation in the number of turns of the secondary windings (3; 4) cut by the flux lines and, therefore, a variation output voltages of the secondary windings (3; 4).
  • the electromagnetic sensor 1 makes it possible to obtain information on the output voltages of the secondary windings (3; 4) whose linear difference is proportional to the linear displacement of the mobile magnetic element 6 (ring 6) and , therefore, of said object.

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Abstract

L'invention concerne un capteur électromagnétique de 5 déplacement linéaire (1) comportant au moins un bobinage primaire (2) d'induction d'une tension aux bornes d'au moins deux bobinages secondaires (3; 4) en fonction de la position d'un élément magnétique mobile (6) de couplage magnétique du flux généré par le bobinage primaire (2), cet élément 10 magnétique mobile (6) étant défini par un anneau (60) monté mobile axialement autour des bobinages primaire (2) et secondaires (3; 4) qui s'enroulent autour d'un noyau fixe (50) que comporte le capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1). 15 Ce capteur est caractérisé en ce que le noyau fixe (50) est magnétique tandis que le bobinage primaire (2) enveloppe les bobinages secondaires (3; 4).

Description

CAPTEUR ELECTROMAGNETIQUE DE DEPLACEMENT LINEAIRE
L'invention concerne un capteur électromagnétique de déplacement linéaire comportant au moins un bobinage primaire d'induction d'une tension aux bornes d'au moins deux bobinages secondaires en fonction de la position d'un élément magnétique mobile de couplage du flux magnétique généré par le bobinage primaire .
La présente invention trouvera son application dans le domaine des capteurs linéaires électromagnétiques de type différentiel ou ratiométrique .
On connaît, d'ores et déjà, de nombreux capteurs électromagnétiques de déplacement linéaire répondant à la description ci-dessus .
En particulier, de tels capteurs, dits LVDT (de l'anglais « Linear Variable Différential Transformer ») , comportent, usuellement, un transformateur, réalisé en un matériau magnétique, adoptant la forme d'un cylindre, traversé axialement par un alésage, et à l'intérieur duquel sont noyés, de manière coaxiale, trois bobinages, à savoir un bobinage primaire ainsi que deux bobinages secondaires, positionnés de part et d'autre du bobinage primaire. De tels capteurs comportent, encore, un élément, réalisé en un matériau magnétique (plus particulièrement ferromagnétique) , et monté mobile en coulissement à l'intérieur de l'alésage du cylindre du transformateur. Ces capteurs comportent, également, une tige de commande, raccordée à un objet dont on désire connaître le déplacement, sur laquelle est monté l'élément magnétique mobile, et au travers de laquelle on transmet le déplacement de l'objet dont on désire connaître le déplacement, ceci à cet élément magnétique mobile. Cette tige de commande traverse, alors nécessairement, l'alésage du cylindre du transformateur et est fixée uniquement d'un seul côté de sorte que son montage est réalisé en porte à faux. Un tel capteur, s'il est convenablement conçu, est apte à donner une réponse proportionnelle au déplacement de l'élément magnétique mobile par rapport au cylindre du transformateur .
Pour ce faire, aux bornes du bobinage primaire peut être appliquée une tension d'induction, très souvent de forme sinusoïdale, venant générer, dans les bobinages secondaires, des tensions induites qui sont fonction de la position axiale de l'élément magnétique mobile qui est monté coulissant dans l'alésage traversant axialement ledit cylindre.
Un autre mode de réalisation, notamment connu par le document US-7.317.371 , consiste en un capteur comportant, d'une part, un bobinage primaire adoptant une forme cylindrique et d'autre part, deux bobinages secondaires, concentriques au bobinage primaire, de type inversement proportionnel ou de type symétrique tout en adoptant une disposition en opposition. Là encore, le bobinage primaire est soumis à une alimentation électrique pour générer, dans les bobinages secondaires, une tension induite proportionnelle au positionnement d'un élément magnétique (plus particulièrement ferromagnétique) monté mobile à l'intérieur du cylindre du bobinage primaire.
Tout comme précédemment, cet élément magnétique mobile est monté sur une tige de commande, raccordée à un objet dont on désire connaître le déplacement, et, soit fixée uniquement d'un seul côté de sorte que son montage est réalisé en port à faux, soit traversant, de part en part, le bobinage primaire pour être guidé de part et d'autre de ce dernier.
Les inconvénients majeurs, rencontrés pour les capteurs linéaires présentant des conceptions telles que celles décrites ci-dessus, résident dans leur encombrement.
En particulier, comme cela apparaît à la lecture de la description des deux modes de réalisation de l'état de la technique décrits ci-dessus, pour garantir un guidage de l'élément magnétique mobile à l'intérieur du bobinage primaire, respectivement à l'intérieur de l'alésage du cylindre du transformateur, il est nécessaire que la tige de commande soit deux fois plus longue que sa course et/ou que le déplacement de l'objet que l'on désire connaître.
En conséquence, la tige de commande, sur laquelle est monté l'élément magnétique mobile et nécessitant un tel guidage, doit nécessairement pouvoir s'étendre sur une distance correspondant au moins à deux fois la course totale de cet élément magnétique mobile. En somme, l'encombrement minimum d' un tel capteur correspond à environ deux fois la longueur du bobinage primaire, respectivement à environ deux fois la longueur du cylindre du transformateur.
L'on connaît, encore, par le document EP-0.614.201 un transformateur ainsi qu'un capteur électromagnétique de déplacement linéaire utilisant un tel transformateur. Ce transformateur comporte un bobinage primaire, deux bobinages secondaires, un noyau fixe et une armature mobile de couplage magnétique du flux généré par le bobinage primaire qui induit une tension aux bornes des bobinages secondaires en fonction de la position de cette armature mobile de couplage. Dans ce transformateur, les bobinages primaire et secondaires s'enroulent autour du noyau fixe et sont positionnés, autour de ce noyau, en sorte que le bobinage primaire soit interposé entre les deux bobinages secondaires . Encore dans ce transformateur, ladite armature mobile est définie par une armature tubulaire montée mobile axialement autour des bobinages primaire et secondaires .
Dans un pareil transformateur, le bobinage primaire est positionné entre les deux bobinages secondaires. Un premier inconvénient de ce positionnement consiste en ce que ce transformateur présente un encombrement important, en particulier une longueur importante . Un autre inconvénient de ce positionnement consiste en ce que l'armature mobile doit s'étendre par-dessus le bobinage primaire ainsi que par-dessus au moins un bobinage secondaire de sorte que cette armature mobile présente des dimensions importantes, en particulier une longueur importante, donc un encombrement important, mais également un poids important . Un tel encombrement et un tel poids font que l'armature mobile présente une inertie importante et nécessitent, pour un déplacement approprié de cette armature mobile, de prévoir des moyens additionnels de guidage de cette armature mobile qui complexifient la conception et la fabrication de ce transformateur. D'autres inconvénients de ce transformateur consistent en ce qu'il est peu sensible et peu précis .
C'est dans le cadre d'une première démarche inventive que l'on a imaginé un tel capteur électromagnétique de déplacement linéaire dont l'encombrement général ne dépasse guère la course de son élément magnétique mobile, voire la longueur du bobinage primaire .
C'est dans le cadre d'une seconde démarche inventive que l'on a pensé disposer cet élément magnétique mobile non pas au centre du capteur mais au niveau de sa périphérie .
A ce effet, l'invention concerne un capteur électromagnétique de déplacement linéaire comportant au moins un bobinage primaire d'induction d'une tension aux bornes d'au moins deux bobinages secondaires en fonction de la position d'un élément magnétique mobile de couplage magnétique du flux généré par le bobinage primaire, cet élément magnétique mobile étant défini par un anneau monté mobile axialement autour des bobinages primaire et secondaires qui s'enroulent autour d'un noyau fixe que comporte le capteur électromagnétique de déplacement linéaire .
Selon l'invention, le noyau fixe est magnétique tandis que le bobinage primaire enveloppe les bobinages secondaires .
Une autre caractéristique consiste en ce que le bobinage primaire et/ou le ou les bobinages secondaires comportent une pluralité de couches superposées de spires coaxiales, de préférence jointives .
Une caractéristique additionnelle consiste en ce qu'au moins le bobinage primaire comporte, axialement, une densité constante de couches de spires jointives .
De plus, axialement, le nombre de couches de spires d'au moins un bobinage secondaire varie, notamment linéairement. Une caractéristique additionnelle concerne le fait qu'au moins le bobinage primaire comporte un côté externe présentant une surface cylindrique tandis que l'anneau comporte un côté interne, orienté au moins en direction du côté externe du bobinage primaire, et présentant une surface cylindrique.
De plus, le noyau magnétique fixe, le bobinage primaire, les bobinages secondaires et l'élément magnétique mobile sont coaxiaux .
Ainsi, dans le capteur conforme à l'invention, l'élément magnétique mobile est monté axialement autour des bobinages primaire et secondaires, plus particulièrement autour du bobinage primaire . Le guidage de cet élément magnétique mobile est, par conséquent, assuré de manière appropriée par ces bobinages (plus particulièrement par le bobinage primaire) , ceci sur une distance correspondant, selon le cas, à la longueur de ce bobinage primaire et/ou à la course de cet élément magnétique mobile par rapport à ce bobinage primaire .
Cette caractéristique permet, avantageusement, de réduire l'encombrement général d'un tel capteur par rapport aux capteurs de l'état de la technique, cet encombrement étant alors guère supérieur à celui de la course de l'élément magnétique mobile, voire à la longueur du bobinage primaire.
De plus, dans ce capteur, le bobinage primaire enveloppe les bobinages secondaires. Une telle caractéristique permet, avantageusement, d'améliorer de manière substantielle la précision par rapport aux capteurs de l'état de la technique.
D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre se rapportant à des modes de réalisation qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs.
La compréhension de cette description sera facilitée en se référant aux dessins joints en annexe et dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématisée, de face, et en coupe axiale d'un capteur conforme à l'invention et correspondant à un premier mode de réalisation d'un premier type de réalisation ; - la figure 2 est une vue schématisée et de côté du capteur illustré figure 1.
- la figure 3 est une vue schématisée de la variation de la tension de sortie des bobinages secondaires en fonction de la position de l'élément magnétique mobile, ceci pour le capteur illustré figures 1 et 2 ;
- la figure 4 est une vue schématisée, de face, et en coupe axiale d' un capteur conforme à la présente invention et correspondant à un deuxième mode de réalisation du premier type de réalisation ;
- la figure 5 est une vue schématisée, de face et en coupe axiale d' un capteur correspondant à un deuxième type de réalisation .
La présente invention concerne le domaine des capteurs linéaires électromagnétiques de type différentiel ou ratiométrique .
L'invention concerne, alors, plus particulièrement, un capteur 1 électromagnétique de déplacement linéaire, notamment conçu pour déterminer le déplacement et/ou la position d'un objet associée à un tel capteur.
Un tel capteur 1 comporte au moins un bobinage primaire 2 susceptible d'être raccordé à une source d'énergie électrique, plus particulièrement à une source de tension alternative.
Un tel capteur 1 comporte, également, au moins deux bobinages secondaires (3 ; 4) qui peuvent être connectés entre eux en série et/ou en opposition de phase.
Un tel capteur 1 comporte, encore, au moins une pièce magnétique fixe 5 conçue pour réaliser le couplage magnétique d' un flux généré par le bobinage primaire 2.
Un tel capteur 1 comporte, aussi, au moins un élément magnétique mobile 6 raccordé à l'objet dont on souhaite déterminer le déplacement et/ou la position. Un tel élément magnétique mobile 6 est conçu pour réaliser le couplage magnétique du flux généré par le bobinage primaire 2, plus particulièrement pour réaliser le couplage magnétique des lignes de flux généré par le bobinage primaire 2, ceci avec la pièce magnétique fixe 5.
Sous l'effet de l'alimentation en énergie électrique (plus particulièrement en tension alternative) du bobinage primaire 2, celui-ci 2 induit une tension aux bornes des bobinages secondaires (3 ; 4) .
A ce propos, on observera que cette tension induite est fonction de la position de l'élément magnétique mobile 6 ce qui permet, alors, de déterminer le déplacement et/ou la position de l'objet.
Selon l'invention, le capteur 1 électromagnétique de déplacement linéaire comporte un noyau magnétique fixe 50 autour duquel s'enroulent les bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) tandis que l'élément magnétique mobile 6 est défini par un anneau 60 monté mobile axialement autour des bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) .
A ce propos, on observera que ledit noyau magnétique fixe 50 constitue ladite pièce magnétique fixe 5 mentionnée ci- dessus .
En fait, un tel noyau magnétique fixe 50 s'étend selon un axe 7 selon lequel s'étend, alors également, le capteur 1 conforme à l'invention.
Un tel noyau magnétique fixe 50 adopte la forme d'un cylindre (creux ou, et de préférence, plein) et présente une longueur au moins égale (voire, et de préférence, supérieure) à celle du bobinage primaire 2 et/ou des bobinages secondaires (3 ; 4) .
Tel que mentionné ci-dessus, autour de ce noyau magnétique fixe 50 viennent s'enrouler les bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) .
A ce propos, il convient d'observer que la présence de ce noyau magnétique fixe 50, traversant ces bobinages (primaire 2 et secondaires 3 ; 4) , permet, avantageusement, au flux généré par le bobinage primaire 2 de pénétrer entièrement les bobinages secondaires (3 ; 4) , plus particulièrement de pénétrer entièrement les couches successives que comportent ces bobinages secondaires (3 ; 4) et qui seront décrites plus en détail ci-dessous .
Une autre caractéristique consiste en ce que le capteur 1 comporte, également, au moins une couche électriquement isolante 8 qui est, alors, interposée entre, d'une part, le noyau magnétique fixe 50 et, d'autre part, ces bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) .
Une telle couche isolante 8 est conçue pour assurer la protection de ces bobinages (2 ; 3 ; 4) .
Selon un mode de réalisation préféré, cette couche isolante 8 est constituée par un papier isolant adhésif recouvrant au moins en partie (mais de préférence intégralement) ledit noyau magnétique fixe 50.
Tel que mentionné ci-dessus, le capteur 1 comporte un noyau magnétique fixe 50 autour duquel s'enroulent les bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) .
Il a été illustré sur les figures 1 à 4, un premier type de réalisation du capteur 1 selon l'invention correspondant à un premier type d'agencement des bobinages (2 ; 3 ; 4) de ce capteur 1. Ainsi et selon ce premier type de réalisation, le bobinage primaire 2 enveloppe les bobinages secondaires (3 ; 4) qui viennent s'enrouler autour du noyau magnétique fixe 50. Ce bobinage primaire 2 s'enroule, alors, autour de ces bobinages secondaires (3 ; 4) .
Selon une autre caractéristique de l'invention, le bobinage primaire 2 et/ou le ou les bobinages secondaires (3 ; 4) comportent une pluralité de couches superposées de spires coaxiales, de préférence jointives.
A ce propos, on observera qu'au sein d'une couche de spires coaxiales, chaque spire décrit un cercle dont le centre est confondu avec l'axe 7 du noyau magnétique fixe 50.
En fait, une telle couche de spires coaxiales adopte, plus particulièrement, la forme d'un tube de spires coaxiales. Finalement, les couches tubulaires de spires coaxiales des bobinages (2 ; 3 ; 4) sont superposées et coaxiales. Selon une autre caractéristique de ce premier type de réalisation, axialement, le nombre de couches de spires d'au moins un bobinage secondaire (3 ; 4) varie, notamment linéairement .
En fait et de préférence, c'est, plus particulièrement, le nombre de couches de spires des deux bobinages secondaires (3 ; 4) qui varie alors axialement.
A ce propos, on observera que, préfèrentiellement et tel que visible sur les figures 1 à 4, axialement, le nombre de couches de spires que comporte l'un des bobinages secondaires 3 décroît tandis que le nombre de couches de spires que comporte l'autre bobinage secondaire 4 croît.
Selon un premier mode de réalisation illustrée figures 1 et 2, axialement, le bobinage secondaire 3 dont le nombre de couches de spires décroît s ' emboîte dans le bobinage 4 dont le nombre de couches de spires croît .
Dans un pareil cas, le nombre de couches de spires que comporte, axialement, l'un des bobinages secondaires (3 ; 4) est inversement proportionnel au nombre de couches de spires que comporte, axialement, l'autre bobinage secondaire (4 ; 3).
A titre d'illustration, il a été représenté figure 3 l'évolution de la tension induite par le bobinage primaire 2 dans de tels bobinages secondaires (3 ; 4) , ceci en fonction de la position de l'élément magnétique mobile 6.
Ce premier mode de réalisation permet un fonctionnement du capteur 1 de manière ratiométrique .
Selon un deuxième mode de réalisation illustrée figure 4, axialement, le bobinage secondaire 3 dont le nombre de couches de spires décroît succède au bobinage secondaire 4 dont le nombre de couches de spires croît .
En fait, ces bobinages secondaires (3 ; 4) sont, alors, juxtaposés axialement et peuvent être, selon le cas, jointifs ou espacés (figure 4). Quoi qu'il en soit, ces bobinages secondaires (3 ; 4) sont, alors, positionnés tête bêche.
Ce deuxième mode de réalisation permet un fonctionnement du capteur 1 de manière différentielle. Une autre caractéristique de ce premier type de réalisation consiste en ce que le nombre de couches de spires que comporte, axialement, l'un 3 des bobinages secondaires (3 ; 4) est symétrique au nombre de couches de spires que comporte, axialement, l'autre bobinage secondaire 4, ceci par rapport à un plan médian perpendiculaire à l'axe 7.
Selon une autre caractéristique de ce premier type de réalisation, le nombre de couches de spires d'au moins un bobinage secondaire (de préférence des deux bobinages secondaires 3 ; 4) varie, axialement, de manière progressive, voire (et de préférence) de manière proportionnelle à la longueur de ce bobinage secondaire (3 ; 4) .
Selon une autre caractéristique et quel que soit le mode de réalisation envisagé, au sein d'une même couche de spires, la répartition axiale des spires des bobinages secondaires (3 ; 4) est, de préférence, constante en spires par millimètre carré .
Il a été illustré sur la figure 5, un deuxième type de réalisation du capteur 1 dans lequel, d'une part, le bobinage primaire 2 et les bobinages secondaires (3 ; 4) sont enroulés autour du noyau magnétique fixe 50 et, d'autre part, le bobinage primaire 2 est interposé entre les bobinages secondaires (3 ; 4) .
Selon un premier mode de réalisation de ce deuxième type de réalisation, chaque bobinage secondaire (3 ; 4) comporte, axialement , un même nombre de couches de spires .
Là encore, ce premier mode de réalisation permet un fonctionnement du capteur 1 de manière ratiométrique .
Selon une autre caractéristique de ce type de réalisation, les bobinages secondaires (3 ; 4) sont symétriques rapport à un plan médian perpendiculaire à 1 ' axe 7.
Selon un deuxième mode de réalisation (non représenté) de ce deuxième type de réalisation, axialement, le nombre de couches de spires d'au moins un bobinage secondaire (3 ; 4) varie , notamment linéairement . Selon une autre caractéristique de l'invention et quel que soit le type de réalisation considéré, au moins le bobinage primaire 2 comporte, axialement, une densité constante de couches de spires jointives .
A ce propos, on observera que la répartition axiale en spires du bobinage primaire 2 est constante en spires par millimètre carré. En fait, cette répartition dépend uniquement de la valeur de 1 ' impédance du bobinage primaire 2 qui est recherchée .
Une caractéristique additionnelle concerne le fait que le capteur 1 comporte des parois amagnétiques 9 équipant les extrémités latérales (30 ; 40) des bobinages secondaires (3 ; 4) .
Ces parois amagnétique 9 viennent, alors, encadrer les bobinages secondaires (3 ; 4) et permettent, avantageusement, de ne pas perturber les lignes de flux générées par le bobinage primaire 2.
Une autre caractéristique consiste en ce que le capteur comporte, encore, un blindage (de type magnétique) recouvrant au moins l'élément magnétique mobile 6 et une partie du bobinage primaire 2 et s' étendant sur au moins une partie de la longueur du bobinage primaire 2 et/ou sur au moins une partie de la circonférence de ce bobinage primaire 2.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, un tel blindage recouvre l'élément magnétique mobile 6 et toute la longueur du bobinage primaire 2, ceci sur une majorité de la circonférence de ce bobinage primaire 2.
En fait, la présence de ce blindage permet, avantageusement, d'éliminer les perturbations magnétiques extérieures .
Tel que mentionné ci-dessus, le capteur 1 comporte un élément magnétique mobile 6 défini par un anneau 60 monté mobile axialement autour des bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) .
Dans un pareil cas, les bobinages (primaire 2 et secondaires 3 ; 4) sont interposés entre la pièce magnétique fixe 5 (noyau magnétique fixe 50) et l'élément magnétique mobile 6 (anneau magnétique mobile 60) .
Selon un mode préféré de réalisation, cet élément magnétique mobile 6 est réalisé en un matériau ferromagnétique .
Une autre caractéristique du capteur 1 consiste en ce qu'au moins le bobinage primaire 2 comporte un côté externe 20 présentant une surface cylindrique tandis que l'anneau 60 comporte un côté interne 600, orienté au moins en direction du côté externe 20 du bobinage primaire 2, et présentant une surface cylindrique .
Selon le premier type de réalisation, c'est, plus particulièrement, le bobinage primaire 2 qui comporte, alors, un tel côté externe 20 tandis que l'anneau 60 comporte un côté interne 600, orienté en direction du côté externe 20 de ce bobinage primaire 2 , et présentant une surface cylindrique . Dans ce type de réalisation, l'anneau 60 est mobile axialement autour des bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) , plus particulièrement autour du côté externe 20 de ce bobinage primaire 2.
Cependant et selon le deuxième type de réalisation, ce sont les bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) qui comportent un tel côté externe (20 ; 31 ; 41) tandis que l'anneau 60 comporte un côté interne 600, orienté en direction du côté externe (20 ; 31 ; 41) de ces bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4), et présentant une surface cylindrique.
Dans ce deuxième type de réalisation, l'anneau 60 est mobile axialement autour des bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) , plus particulièrement autour du côté externe (20 ; 31 ; 41) de ces bobinages (2 ; 3 ; 4) .
Une caractéristique additionnelle consiste en ce que cet anneau 60 comporte un côté externe 601 présentant une surface cylindrique coaxiale avec la surface cylindrique de son côté interne 600.
Encore une autre caractéristique consiste en ce que l'anneau 60 présente une section rectangulaire. En fait et tel que visible sur les figures en annexe, cet anneau 60 adopte la forme d'un tube cylindrique creux, plus particulièrement un tube cylindrique de révolution.
La présence d' un élément mobile 6 adoptant la forme d' un tel anneau 60 permet, avantageusement, d'accentuer la robustesse du capteur 1, plus particulièrement au niveau de la partie mobile de ce capteur 1.
Finalement et tel que visible sur les figures en annexe, la pièce magnétique fixe 5 (noyau magnétique fixe 50) , le bobinage primaire 2, les bobinages secondaires (3 ; 4) et l'élément magnétique mobile 6 (anneau 60) sont coaxiaux.
En fait, ceux-ci (2, 3, 4, 5, 6) sont coaxiaux par rapport à l'axe 7 selon lequel s'étend ledit noyau magnétique fixe 50 constituant ladite pièce mobile fixe 5.
Dans la suite de la description, il sera décrit le fonctionnement du capteur 1 électromagnétique de déplacement linéaire conforme à l'invention.
Ainsi et tel que mentionné ci-dessus, ce capteur 1 comporte un bobinage primaire 2 qui est conçu pour être alimenté en énergie électrique, plus particulièrement avec une tension alternative .
Sous l'effet d'une telle tension alternative, ce bobinage primaire 2 induit une tension aux bornes des bobinages secondaires (3 ; 4) .
A ce propos, on observera que, pour une tension d'alimentation déterminée du bobinage primaire 2, la position axiale (le long de l'axe 7) de l'élément magnétique mobile 6 (anneau 60) détermine le niveau de tension induit dans les bobinages secondaires (3 ; 4) .
En fait, ce niveau de tension induite dans les bobines secondaires (3 ; 4) est déterminée par le nombre total de lignes de flux coupé par chaque bobinage secondaire (3 ; 4) , ceci quand le bobinage primaire 2 est alimenté en énergie électrique. Plus précisément, le nombre de lignes de flux coupé par chaque bobinage secondaire (3 ; 4) est directement proportionnel, d'une part, à la surface du circuit magnétique définie par la surface commune entre le noyau fixe 50 et l'anneau mobile 60 et, d'autre part, au nombre de spires directement défini par la position axiale de l'anneau 60.
Il a été illustré figure 3 l'évolution des tensions de sortie des bobinages secondaires (3 ; 4) en fonction de la position axiale (le long de l'axe 7) de l'élément magnétique mobile 6, ceci pour une tension d'alimentation du bobinage primaire 2 déterminée et pour un capteur ratiométrique, notamment conforme au premier mode de réalisation du premier type de réalisation du capteur 1 selon l'invention.
On observera que, compte tenu de la conception du capteur 1, plus particulièrement lorsque celui-ci correspond au premier mode de réalisation du premier type de réalisation mentionné ci-dessus, la position de l'équilibre des tensions de sortie des bobinages secondaires (3 ; 4) est située à l'équilibre des bobinages secondaires (3 ; 4) correspondant, plus particulièrement, à la position pour laquelle le nombre de spires de chacun des bobinages secondaires (3 ; 4) traversées par le flux est identique.
En fait, cette position se situe le plus souvent au milieu du déplacement linéaire réalisable par le capteur 1.
Tel que mentionné ci-dessus, l'élément magnétique 6 (anneau 60) , associé à un objet dont on souhaite connaître la position et/ou le déplacement, est mobile axialement autour du bobinage primaire 2.
Aussi, le déplacement de cet objet entraîne une translation axiale de l'anneau 60 le long du bobinage primaire 2 qui cause une variation du nombre de spires des bobinages secondaires (3 ; 4) coupées par les lignes de flux et, donc, une variation des tensions de sortie des bobinages secondaires (3 ; 4) .
Ainsi, le capteur électromagnétique 1 selon l'invention permet d' obtenir une information sur les tensions de sortie des bobinages secondaires (3 ; 4) dont la différence est linéaire proportionnelle au déplacement linéaire de l'élément magnétique mobile 6 (anneau 6) et, donc, dudit objet.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) comportant au moins un bobinage primaire (2) d'induction d'une tension aux bornes d'au moins deux bobinages secondaires (3 ; 4) en fonction de la position d'un élément magnétique mobile (6) de couplage magnétique du flux généré par le bobinage primaire (2) , cet élément magnétique mobile (6) étant défini par un anneau (60) monté mobile axialement autour des bobinages primaire (2) et secondaires (3 ; 4) qui s'enroulent autour d'un noyau fixe (50) que comporte le capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) , caractérisé par le fait que le noyau fixe (50) est magnétique tandis que le bobinage primaire (2) enveloppe les bobinages secondaires (3 ; 4) .
2. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le bobinage primaire (2) et/ou le ou les bobinages secondaires (3 ; 4) comportent une pluralité de couches superposées de spires coaxiales, de préférence jointives.
3. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon la revendication 2, caractérisé par le fait que, axialement, le nombre de couches de spires d'au moins un bobinage secondaire (3 ; 4) varie, notamment linéairement.
4. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon la revendication 3, caractérisé par le fait que, axialement, le nombre de couches de spires que comporte l'un
(3) des bobinages secondaires (3 ; 4) décroît tandis que le nombre de couches de spires que comporte l'autre bobinage secondaire (4) croît.
5. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, axialement, le bobinage secondaire (3) dont le nombre de couches de spires décroît s'emboîte dans le bobinage secondaire
(4) dont le nombre de couches de spires croît.
6. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, axialement, le bobinage secondaire (3) dont le nombre de couches de spires décroît succède au bobinage secondaire (4) dont le nombre de couches de spires croît .
7. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'au moins le bobinage primaire (2) comporte, axialement, une densité constante de couches de spires jointives .
8. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au moins le bobinage primaire (2) comporte un côté externe (20) présentant une surface cylindrique tandis que l'anneau (60) comporte un côté interne (600) , orienté au moins en direction du côté externe (20) du bobinage primaire (2), et présentant une surface cylindrique.
9. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le noyau magnétique fixe (50) , le bobinage primaire (2) , les bobinages secondaires (3 ; 4) et l'élément magnétique mobile (6) sont coaxiaux.
10. Capteur électromagnétique de déplacement linéaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une couche électriquement isolante (8) interposée entre, d'une part, le noyau magnétique fixe 50 et, d'autre part, ces bobinages primaire 2 et secondaires (3 ; 4) .
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