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WO2007085772A1 - Detecteur electromagnetique de vitesse de rotation d'un organe tournant - Google Patents

Detecteur electromagnetique de vitesse de rotation d'un organe tournant Download PDF

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WO2007085772A1
WO2007085772A1 PCT/FR2007/050701 FR2007050701W WO2007085772A1 WO 2007085772 A1 WO2007085772 A1 WO 2007085772A1 FR 2007050701 W FR2007050701 W FR 2007050701W WO 2007085772 A1 WO2007085772 A1 WO 2007085772A1
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WO
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Prior art keywords
permanent magnet
magnet
rotational speed
pole piece
variable reluctance
Prior art date
Application number
PCT/FR2007/050701
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English (en)
Inventor
Jean-Paul Bares
Original Assignee
Hispano Suiza
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Hispano Suiza filed Critical Hispano Suiza
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/488—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by variable reluctance detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/02—Housings
    • G01P1/026—Housings for speed measuring devices, e.g. pulse generator

Definitions

  • the invention relates to a multi-channel variable reluctance device for measuring the speed of rotation of a rotating member coupled to a gear wheel and in particular for measuring the rotational speed of an aircraft engine.
  • variable reluctance velocity sensor is a detector whose magnetic circuit includes a toothed wheel of ferromagnetic material coupled to a rotating member whose rotation speed is desired to be measured.
  • a sensor of this type known for example from the French patent FR2369565 filed in the name of the applicant, is illustrated schematically in Figure 3 which shows a multi-channel assembly 100 having three probes 102 variable reluctance. Indeed, to control the correct operation of a rotating machine 104 requiring a high operational safety, in particular an aircraft engine, it is essential to have at least two variable-reluctance probes to provide independent signals to control means 106.
  • Each variable-reluctance probe 102 comprises a coil 108 surrounded around a pole piece 110 fixed to a straight cylindrical permanent magnet 112.
  • the pole piece is mounted opposite a gear wheel 114 made of ferromagnetic material with a determined air gap.
  • the coil which is subjected to the flux of the permanent magnet is excited by the passage of the teeth of the wheel, then delivering to the control means an alternating electric current whose frequency is proportional to the rotational speed of this wheel.
  • variable reluctance has significant dimensions especially for mounting in a cumbersome and difficult local environment such as an aircraft engine.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks by means of a multi-channel variable reluctance device for measuring the rotational speed of a rotating member coupled to a toothed wheel of ferromagnetic material, the device comprising a plurality of detection elements and a common magnetic excitation element comprising a pole piece of ferromagnetic material and a permanent magnet, characterized in that said permanent magnet comprises a plurality of cells provided with central pads for supporting said plurality of detection elements.
  • the device obtained has a particularly small footprint, a low mass and therefore a lower realization cost.
  • said permanent magnet is a straight cylindrical magnet, one end disposed opposite the gear wheel with a determined air gap is covered by said pole piece.
  • This elementary geometry facilitates the manufacture of the permanent magnet.
  • said detection elements each comprise a detection coil wound around an insulating core, each of said insulating cores being slidably mounted on one of said central pads of said cells of the permanent magnet.
  • the detection module can be mounted and disassembled simply to allow its repair in case of failure
  • the device comprises a nonmagnetic protective tube welded to said pole piece and whose inner diameter is adjusted to the diameter of said permanent magnet so as to create a protective receptacle for this magnet.
  • said permanent magnet is of the rare earth magnet type with strong coercive fields and said cells are made by electroerosion, coring, machining or molding.
  • the invention also relates to a system for controlling the rotational speed of an engine, in particular an aircraft, and an aircraft engine comprising a multi-turn variable reluctance device according to the above characteristics.
  • FIG 1 is a view illustrating an embodiment of a multi-channel variable reluctance device according to the invention
  • FIG. 2 is a detailed view illustrating the permanent magnet used in the multichannel variable reluctance device of FIG. 1;
  • FIG 3 is a schematic view illustrating a variable reluctance sensor according to the prior art.
  • FIG. 1 illustrates a multi-channel variable reluctance device according to the invention.
  • the device described is of the open flow type, that is to say that the lines of force of the magnetic circuit passing through the pole piece, the magnet and a tooth of the sound wheel associated with the rotating member whose speed rotation is to be measured close in the ambient air.
  • the multi-channel variable reluctance device 10 comprises a detection module 12 and a magnetic excitation element 14 both integrated in a cylindrical housing, one end of which is arranged facing a phonic wheel 16 with a determined air gap. and preferably the lowest possible.
  • the tone wheel is a coding wheel or toothed soft ferromagnetic material coupled to or constituted by the rotating member of the motor (not shown) which is desired to know the speed of rotation.
  • the sound wheel may itself be constituted by the rotating member, for example a gear motor.
  • the rotating member may be the motor shaft and in this case, the gear wheel is integral in rotation with the shaft whose rotational speed is to be measured.
  • the casing is mounted by fastening means (not shown) on a fixed support, for example an intermediate casing internal to the motor (also not shown), with respect to the toothed wheel so as to be positioned opposite the gear wheel with a controlled air gap.
  • it can be positioned substantially perpendicular to the gear wheel (as shown) or substantially in the plane of this gear.
  • the magnetic excitation element 14 disposed near the detection module 12 is constituted by a high power straight cylindrical permanent magnet 18 (of the ALNICO or Rare Earth type) associated with a mass or pole piece 20 of soft ferromagnetic material covering a face of the magnet next to the phonic wheel.
  • the permanent magnet is protected by a non-magnetic protective tube 21 (for example stainless steel-8X9) whose inner diameter is adjusted to the diameter of the magnet and which is welded to the pole piece 20 so as to create a protective receptacle for the magnet.
  • This tube advantageously constitutes the aforementioned cylindrical housing integrating the detection module and the excitation element.
  • the particular geometry of the right cylindrical permanent magnet is illustrated in FIG.
  • This magnet comprises three equidistant non-emerging toroidal cells 180, 182, 184 on the face covered by the pole piece 20 and therefore closest to the phonic wheel, so as to create in their centers residual pads 18A, 18B, 18C acting as a magnetic support for the detection elements, more precisely the polar cores of the detection coils of these elements.
  • Each stud thus constitutes a very stable individual magnet because of its elongated shape, the partitioning created between each cell further allowing a perfect electromagnetic decoupling between each detection element.
  • the material of the magnet is chosen so as to guarantee a mechanical strength of each pad, for example a rare earth with a strong coercive field, and the cavities are advantageously made by electro-spinning, coring, machining or else by molding.
  • the detection module 12 comprises a plurality of independent detection elements delivering a plurality of detection (or measurement) channels.
  • the detection module comprises three detection elements 12A, 12B, 12C arranged parallel to one another and spaced apart from one another at the same distance, and each formed by a coil 22A, 22B, 22C wrapped around an insulating core 32A, 32B, 32C.
  • the core of each coil has a housing 32Aa, 32Ba, 32Ca to be slidably mounted on each pad of the permanent magnet so as to facilitate mounting. The fixing of the assembly can be ensured by gluing.
  • the assembly thus constituted by the detection module 12, the magnetic excitation element 14 and the toothed wheel 16 form a circuit magnetic variable air gap depending on the running frequency of the teeth of the toothed wheel.
  • the magnetic flux emanates from the magnetic excitation element 14 passes through the toothing of the toothed wheel 16 and the movement of the teeth causes a variation of the magnetic flux in the polar mass 20 at the running frequency of these teeth.
  • the variations in the magnetic flux corresponding to the passage of the teeth cause identical variations in the magnetic moment of the detection elements and more particularly of each magnetic axis of the coils 22A, 22b, 22C.
  • each coil 22A, 22B, 22C is a substantially sinusoidal signal whose frequency is proportional to the speed of rotation of the rotating member.
  • the multi-turn variable reluctance device of the invention measuring the rotational speed of a low-pressure turbine shaft of a gas turbine engine of an aircraft, comprises three independent speed measuring channels. Two redundant measurement channels for a full authority control circuit (FADEC) of the engine and an additional channel for providing speed information at the cockpit.
  • FADEC full authority control circuit
  • the multichannel variable reluctance device of the invention is not limited to three channels and the addition of an additional independent measurement channel is possible by adding a fourth detection element in the case and modifying accordingly.
  • the multichannel reluctance device of the invention has significantly reduced dimensions compared to an assembly of three four speed sensors according to the prior art. This results in a low mass but also a very low realization cost compared to these previous devices.

Landscapes

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Abstract

Dispositif à reluctance variable multivoies pour mesurer la vitesse de rotation d'un organe tournant couplé à une roue dentée (16) en matériau ferromagnétique, dispositif comportant une pluralité d'éléments de détection (12A, 12B, 12C) et un élément commun d'excitation magnétique (14) comportant une pièce polaire (20) en matériau ferromagnétique et un aimant permanent (18) comportant plusieurs alvéoles (39) munies de plots centraux destinés à supporter cette pluralité d'éléments de détection.

Description

Détecteur électromagnétique de vitesse de rotation d'un organe tournant
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un dispositif à reluctance variable multivoies pour mesurer la vitesse de rotation d'un organe tournant couplée à une roue dentée et notamment pour mesurer la vitesse de rotation d'un moteur d'aéronef.
Arrière-plan de l'invention Un capteur de vitesse à reluctance variable est un détecteur dont le circuit magnétique inclut une roue dentée en matériau ferromagnétique couplée à un organe tournant dont on désire mesurer la vitesse de rotation.
Un capteur de ce genre, connu par exemple par le brevet français FR2369565 déposé au nom de la demanderesse, est illustré de manière schématique à la figure 3 qui montre un ensemble multivoies 100 comportant trois sondes 102 à reluctance variable. En effet, pour contrôler le bon fonctionnement d'une machine tournante 104 nécessitant une grande sécurité de fonctionnement, en particulier un moteur d'aéronef, il est essentiel de disposer d'au moins deux sondes à reluctance variable afin de fournir des signaux indépendants à des moyens de contrôle 106.
Chaque sonde 102 à reluctance variable comporte une bobine 108 entourée autour d'une pièce polaire 110 fixée à un aimant permanent cylindrique droit 112. La pièce polaire est montée en regard d'une roue dentée 114 en matériau ferromagnétique avec un entrefer déterminé. Lorsque la roue dentée tourne, la bobine qui est soumise au flux de l'aimant permanent, est excitée par le passage des dents de la roue, délivrant alors aux moyens de contrôle un courant électrique alternatif dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de cette roue. Cependant, un tel assemblage de trois sondes indépendantes à reluctance variable présente des dimensions non négligeables surtout pour un montage dans un environnement local encombrant et difficile tel qu'un moteur d'aéronef.
Objet et résumé de l'invention
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients grâce à un dispositif à reluctance variable multivoies pour mesurer la vitesse de rotation d'un organe tournant couplé à une roue dentée en matériau ferromagnétique, le dispositif comportant une pluralité d'éléments de détection et un élément commun d'excitation magnétique comportant une pièce polaire en matériau ferromagnétique et un aimant permanent, caractérisé en ce que ledit aimant permanent comporte plusieurs alvéoles munies de plots centraux destinés à supporter ladite pluralité d'éléments de détection.
Ainsi, le dispositif obtenu présente un encombrement particulièrement réduit, une masse faible et donc un coût de réalisation moindre.
De préférence, ledit aimant permanent est un aimant cylindrique droit dont une extrémité disposée en regard de la roue dentée avec un entrefer déterminé est recouverte par ladite pièce polaire.
Cette géométrie élémentaire facilite la fabrication de l'aimant permanent.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, lesdits éléments de détection comportent chacun une bobine de détection enroulée autour d'un noyau isolant, chacun desdits noyaux isolants étant monté à coulissement sur un desdits plots centraux desdites alvéoles de l'aimant permanent.
Ainsi, Ie module de détection peut être monté et démonté simplement pour permettre sa réparation en cas de défectuosité, Selon une particularité de l'invention, le dispositif comporte un tube protecteur amagnétique soudé sur ladite pièce polaire et dont le diamètre intérieur est ajusté au diamètre dudit aimant permanent de façon à créer un réceptacle de protection pour cet aimant. Avantageusement, ledit aimant permanent est du type aimant terre rare à fort champs coercitifs et lesdites alvéoles sont réalisées par électroérosion, carottage, usinage ou moulage.
L'invention vise aussi un système de contrôle de la vitesse de rotation d'un moteur, notamment d'aéronef, et un moteur d'aéronef comportant un dispositif à reluctance variable multivoies selon les caractéristiques ci-dessus.
Brève description des dessins
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite, ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
-la figure 1 est une vue illustrant un exemple de réalisation d'un dispositif à reluctance variable multivoies selon l'invention ;
-la figure 2 est une vue de détail illustrant l'aimant permanent utilisé dans le dispositif à reluctance variable multivoies de la figure 1 ; et
-la figure 3 est une vue schématique illustrant un capteur à reluctance variable selon l'art antérieur.
Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 illustre un dispositif à reluctance variable multivoies selon l'invention. Le dispositif décrit est du type à flux ouvert, c'est-à-dire que les lignes de force du circuit magnétique passant par la pièce polaire, l'aimant et une dent de la roue phonique associée à l'organe tournant dont la vitesse de rotation est à mesurer se referment dans l'air ambiant. Selon l'invention, le dispositif à reluctance variable multivoies 10 comporte un module de détection 12 et un élément d'excitation magnétique 14 intégrés tous deux dans un boîtier cylindrique dont une extrémité est disposé en regard d'une roue phonique 16 avec un entrefer déterminé et de préférence le plus faible possible. La roue phonique est une roue codeuse ou dentée en matériau ferromagnétique doux couplée à, ou constitué par l'organe tournant du moteur (non représenté) dont on souhaite connaître la vitesse de rotation. En effet, la roue phonique peut être elle-même constituée par l'organe tournant, par exemple un engrenage du moteur. Par ailleurs, l'organe tournant peut être l'arbre du moteur et dans ce cas, la roue dentée est solidaire en rotation de cet arbre dont la vitesse de rotation est à mesurer.
Bien entendu, le boîtier est monté par des moyens de fixation (non représentés) sur un support fixe, par exemple un carter intermédiaire interne au moteur (également non représenté), par rapport à la roue dentée de façon à être positionné en regard de la roue dentée avec un entrefer contrôlé. En outre, il peut être positionné sensiblement perpendiculairement à la roue dentée (comme illustré) ou sensiblement dans le plan de cette roue dentée. L'élément d'excitation magnétique 14 disposé à proximité du module de détection 12 est constitué par un aimant permanent cylindrique droit de forte puissance 18 (de type ALNICO ou Terres Rares) associé à une masse ou pièce polaire 20 en matériau ferromagnétique doux recouvrant une face de l'aimant en regard de la roue phonique. L'aimant permanent est protégé par un tube protecteur amagnétique 21 (par exemple en inox-8X9) dont le diamètre intérieur est ajusté au diamètre de l'aimant et qui est soudé sur la pièce polaire 20 de façon à créer un réceptacle de protection pour l'aimant. Ce tube constitue avantageusement le boîtier cylindrique précité intégrant le module de détection et l'élément d'excitation. La géométrie particulière de l'aimant permanent cylindrique droit est illustrée à la figure 2.
Cet aimant comporte trois alvéoles équidistantes toriques non débouchantes 180, 182, 184 sur la face recouverte par la pièce polaire 20 et donc la plus proche en regard de la roue phonique, de manière à créer en leurs centres des plots résiduels 18A, 18B, 18C servant de support magnétique aux éléments de détection, plus précisément aux noyaux polaires des bobines de détection de ces éléments. Chaque plot constitue ainsi un aimant individuel très stable de part sa forme allongée, le cloisonnement créé entre chaque alvéole permettant en outre un parfait découplage électromagnétique entre chaque élément de détection. Le matériau de l'aimant est choisi de manière à garantir une tenue mécanique de chaque plot, par exemple une terre rare à fort champ coercitif, et les alvéoles sont réalisées avantageusement par électroérosîon, par carottage, par usinage ou encore par moulage.
Revenons à la figure 1. Le module de détection 12 comprend une pluralité d'éléments de détection indépendants délivrant une pluralité de voies de détection (ou de mesure). Ainsi, dans l'exemple illustré, le module de détection comprend trois éléments de détection 12A, 12B, 12C disposés parallèlement les uns aux autres et espacés entre eux d'une même faible distance, et formés chacun par une bobine 22A, 22B, 22C enroulée autour d'un noyau isolant 32A, 32B, 32C. Le noyau de chaque bobine comporte un logement 32Aa, 32Ba, 32Ca pour être monté à coulissement sur chaque plot de l'aimant permanent de façon à en faciliter le montage. La fixation de l'ensemble peut être assurée par collage.
L'utilisation d'une résine de remplissage 42 coulée dans la partie arrière du tube protecteur 21 permet d'améliorer la tenue mécanique de l'ensemble.
L'ensemble ainsi constitué par le module de détection 12, l'élément d'excitation magnétique 14 et la roue dentée 16 forme un circuit magnétique à entrefer variable en fonction de la fréquence de défilement des dents de cette roue dentée.
Le flux magnétique émanent de l'élément d'excitation magnétique 14 traverse la denture de la roue dentée 16 et le défilement des dents provoque une variation du flux magnétique dans la masse polaire 20 à la fréquence de défilement de ces dents. Ainsi, lorsque la roue dentée est en rotation, les variations du flux magnétique correspondant au passage des dents provoquent des variations identiques du moment magnétique des éléments de détection et plus particulièrement de chaque axe magnétique des bobines 22A, 22b, 22C. Il en résulte aux bornes de chaque élément de détection une force électromotrice proportionnelle à la variation du flux magnétique et donc à la vitesse de rotation de la roue dentée de sorte que chaque bobine recueille un signal électrique représentatif de la vitesse de rotation de l'organe tournant. Les signaux recueillis sont alors acheminés par des câbles de liaison électrique respectifs (non représentés) vers des moyens de contrôle 40 qui comportent des circuits de traitement et d'exploitation de ces signaux. En particulier, le signal électrique recueilli aux bornes de chaque bobine 22A, 22B, 22C est un signal sensiblement sinusoïdal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'organe tournant.
On notera que la force électromotrice créée dans chaque élément de détection 12A, 12B, 12C dépend de la valeur des entrefers et elle diminue rapidement avec l'augmentation de cette valeur qui ne peut donc en général dépasser quelques millimètres. A titre d'exemple, le dispositif à reluctance variable multivoies de l'invention, mesurant la vitesse de rotation d'un arbre de turbine basse pression de moteur à turbine à gaz d'un aéronef, comporte trois voies indépendantes de mesure de vitesse, deux voies de mesure redondante destinées à un circuit de commande de pleine autorité (FADEC) du moteur et une voie supplémentaire destinée à fournir une information de vitesse au poste de pilotage. Bien entendu, le dispositif à reluctance variable multivoies de l'invention n'est pas limité à trois voies et l'adjonction d'une voie indépendante de mesure supplémentaire reste possible en adjoignant dans le boîtier un quatrième élément de détection et en modifiant en conséquence la structure de l'élément d'excitation magnétique avec la réalisation d'une alvéole torique supplémentaire, le découplage électromagnétique entre chaque élément de détection étant assuré par l'aimant permanent qui constitue un écran magnétique entre chaque alvéole. Tout en fournissant trois ou quatre voies, le dispositif à reluctance multivoies de l'invention présente des dimensions notablement réduites par rapport à un assemblage de trois quatre capteurs de vitesse selon l'art antérieur. Il en résulte une faible masse mais aussi un coût de réalisation très faible comparé à ces dispositifs antérieurs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif à reluctance variable multivoies pour mesurer la vitesse de rotation d'un organe tournant couplé à une roue dentée (16) en matériau ferromagnétique, dispositif comportant une pluralité d'éléments de détection (12A, 12B, 12C) et un élément commun d'excitation magnétique (14) comportant une pièce polaire (20) en matériau ferromagnétique et un aimant permanent (18), caractérisé en ce que ledit aimant permanent comporte plusieurs alvéoles (39) munies de plots centraux destinés à supporter ladite pluralité d'éléments de détection.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aimant permanent est un aimant cylindrique droit dont une extrémité disposée en regard de la roue dentée (16) avec un entrefer déterminé est recouverte par ladite pièce polaire.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments de détection comportent chacun une bobine de détection (22A, 22B, 22C) enroulée autour d'un noyau isolant (32A, 32B, 32C), chacun desdits noyaux isolants étant montés à coulissement sur un desdits plots centraux desdites alvéoles de l'aimant permanent.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un tube protecteur amagnétique (22) soudé sur ladite pièce polaire et dont le diamètre intérieur est ajusté au diamètre dudit aimant permanent de façon à créer un réceptacle de protection pour cet aimant.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit aimant permanent est du type aimant terre rare à fort champ coercitif.
6. Dispositif l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites alvéoles sont réalisées par électroérosion, carottage, usinage ou moulage.
7. Système de contrôle de la vitesse de rotation d'un moteur, notamment d'aéronef, comportant un dispositif à reluctance variable multivoies selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Moteur d'aéronef comportant un dispositif à reluctance variable multivoies selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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