Brevet FR2204762A1 — publié le 19740524

L'invention a pour objet un dispositif stabilisa- teur pour rotors à rotation rapide, allongés le long de leur axe vertical. Il s'agit d'une manière plus précise de rotors dont la dimension longitudinale est supérieure à la dimension radiale on peut citer à titre d'exemple de tels rotora, ceux des pompes moléculairea fonctionnant suivant le principe Holweck. Dans de tels rotors, il est nécessaire d'utiliser des vitesses de rotation extremement élevées, de telle sorte que liron doit prendre des précautions particulières en ce qui concerne les paliers Les rotors fonctionnent en gyroscope et ils peuvent présenter des phénomènes oscilla- toires de pré ce ision et de nutation, et il faut donc prévoir des dispositions particulières pour les paliers pour pouvoir amortir de telles oscillations. L'invention plot, par exemple, d'un dispositif atabilt- sateur connu pour les appareils celifuges dont le rot or tourne à grande vitesse (voir brevet allemand 1136644 ou demande allemande 1143150).Dana ce dernier dispositif, le poids du rotor est absorbé par un axe tournant avec le rotor à l'intérieur d'une crapaudine Celle-ci centrée par des forgea élastiques présente des propriétés d'amortissemejt et peut être disposée dans un baii d'huile par exemple pour pouvoir maintenir le rotor ei position verticale, il est prévu, dans ul plan passant par l'emplacement d'un second palier à l'extré- mité supérieure du rotor, un palier magnétique à aimant permanient Ce second palier comprend un aimant ou un induit de révolution monté à l'extrémité supérieure du rotor pour tourner avec ce dernier Un autre aimant de révolution monté en face du premier aimant autour de l'axe est lui-même suspendu élastiquement et flotte dans un bain d'huile. Ces deux aimants maintiennent le rotor en position verticale. ge plus, on peut amortir les oscillations propres des pièces. Certaines caractéristiques de ce dispositif présentent des incnvénients Ainsi, l'aimant tournant avec le rotor à l'extrémité supérieure de ce dernier est soumis à une charge considérable en raison des forces centrifuges très élevées développées, de telle sorte qu'il faut procéder à un cuirassement mécanique pour des raisons de résistance ceci se traduit par un accroissement nuisible des masses à l'extrémité supérieure du rotor, ce qui déplace le centre de gravité vers le haut et réduit par suite le bras de levier des forces agissant sur le palier supérieur. pour obtenir un bon accouplement magnétique entre les aimants annulaires fixe et tournant, il faut que l'entrefer soit rSduit Etant donné que aimant fixe baigne dans un bain d'huile, il faut lui associer une enveloppe fermée, de telle sorte qu'une cloison vient séparer les deux aimants annulaires. pour rendre l'entrefer aussi étroit que possible, comme cela est exigé, des conditions sévères sont imposées à ltexécution mécanique de ce petit pot amortisseur. Etant donné qu'en raison de l'augmentation des forces centrifuges aux vitesses élevées, le rotor se raccourcit à ce moment, ce qui apparait plus par ticulière ent pour les rotors à plusieurs étages fonctionnant au-delà de leur point critique comme par exemple, dans le cas des centrifugeuses à gaz, ltentrefer entre les deux aimants croit constamment, ce qui diminue les forces de centrage et d'amortissement Dans le cas des centrifugeuses comportant des plissés fonctionnant au-delà du point critique, il est donc nécessaire de régler d'une manière constante l'aimant amortisseur fixe.D'autre part, les masses magnétiques utili suées pour des forces d'accouplement élevées ne sont pas accessibles. Creet pourquoi les possibilités d'amortissement du palier supérieur sont limitées la mise en place de ce palier supérieur est donc restreinte à la surface transversale de l'extrémité supérieure du rotor 'aprds laBthéorie des gyroscopes, il apparaît souvent des fréquences de forces gyrosoopiques qui se subdivisent en Oscillations tournant dans la même direction que le rotor et en sens opposé, celles tournant dans ladite meme direction étant toujours à la fréquence la plus élevée lorsque la vi teste de rotation du rotor croit, cette dernière fréquence des oseillations propres augmente et la fréquence des oscillations en sens opposé diminue pour le maintien du rotor en position stable pendant le fonctionnement, il faut amortir aussi bien les fréquences élevées que les fréquencea basses de ces oscil lations propres Avec des rotors allongées non homogènes,il se produit un grand nombre de modes d'oscillations propres et la gamme des fréquences des oscillations à amortir croit Le palier à axe de centrage à l'extrémité inférieure du rotor peut s'adapter à ces exigences croissantes, mais cela n'est pas le cas pour le palier à aimant permanent à l'extrémité supé- rieure du rotor dont les propriétés d'amortissement pour les oscillations à fréquence plus élevée sont limitées par sa masse nécesaairement importantee La présente invention a pour objet l'établissement d'un dispositif de paliers destiné plus particulièrement aux centrifugeuses à plusieurs étages, ce dispositif garantissant un fonctionnement stable du rotor indépendamment du raccourcissement du rotor lorsque les vitesses warEent comme rappelé ci-dessus et cela, tant à grande vitesse qu'à viteste de régime, sans qu'il soit nécessaire de faire intervenir constamment une force mécanique pendant le fonctionnement à grande vitesse, ce qui supprime la dépense correspondante. De plus, on prévoit un dispositif de stabilisation, qui rend possible, en particulier-Pour les rotors à plusieurs étages, l'amortissement même des oscillations propres à haute fréquence de l'extrmité supérieure du rotor Ce dispositif de stabilisation doit en même temps être constitué de telle manière que l'on puisse monter le palier supérieur non plus néces-. gaiement sur la surface transversale de l'extrémité supé- rieurs du rotor, mais aussi bien dans toute position techaiquement favorable le long de l'axe du rotor L'invention résoud le problème ainsi poaé pour les rotors à grande vitesse de rotation, allongés dans le sens de leur axe de rotation vertical, dont le palier inférieur comporte un axe assurant le centrage et l'amortissement et pour lequel un plan supérieur de maintien magnétique est prévu, la solution consistant en un organe de maintien à action électromagnétique disposé dans au moins un tel plan. supérieur et entourant des éléments ferremagnétiques du rotor Ce organe de maintien produit des forets magnétiques dirigées au moins suivant deux directions uniformément distribuées dans un même plan horizontal, ces forces agissant sur la partie du rotor entourée par l'organe considéré qui est soumis, de plus, à l'action de mécanismes de réglage associés à des tâteurs payés sur le trajet de ces forces. on peut d'ailleurs utiliser plusieurs organes de maintien électromagnéti ques de ce genre agissant comme paliers, disposés avec les mécanismes de réglage correspondants dans différents plans de maintien répartis le long de l'axe du rotor on va maintenant décrire à titre d'exemple une forme d'exécution de l'invention représentée aux dessins ci-joints sur lesquels la fig. 7 est une vue latérale d'un rotor simple maintenu par des paliers disposés dans deux plans La fig. 2 est une vue par-dessus du plan de maintien supérieur La fig. 3 représente un rotor à plusieurs étages comportant plusieurs plans de maintien La fig. 4 représente un rotor à plusieurs étages comportant une variante pour le plan de maintien supérieur. Sur la fig. I, le rotor 1 allongé dans le sens axial, porte un axe 2 à son extrémité inférieure Cet axe repose dans une cuvette 3 montée, par ltintermddiaire de ressorts par exemple, dans un bain d'huile 4 formant amortisseur. Ce plan de maintien inférieur est désigné par la référence I Le rotor 9 est entrainé dans ce cas, par exemple, par un moteur axial représenté schématiquement en 5. Le plan de maintien supérieur est désigné dans l'exemple représenté par la référence Il. Ce plan de maintien passe par un prolongement supérieur 9 du rotor 7, Il est essentiel, dans ce cas, que la partie du rotor qui se trouve dans le plan de maintien soit en un matériau ferromagnétique Le prolongement 9 du rotor est entouré par l'organe de maintien électromagné- tique 8 constitué, dans le cas représenté, par une bobine annulaire soumise à l'action du mécanisme de réglage 7. Les déflexions du rotor par rapport à sa position centrée précise sont reçues par des tâteurs ou autres éléments sensibles ç qui transmettent les signaux correspondants au mécanisme de réglage 7 comme indiqué schématiquement.Ces signaux sont élatiorés dans ce mécanisme par des moyens qu'il n'y a pas lieu de décrire et sont transformés en ordres de remise en place appliqués à la bobine annulaire La fig. 2 représente avec plus de détail le mécanisme de réglage et les tâteurs la fig. 2 est une coupe du rotor sui- vant le plan de maintien II-II de la fig. 1 Le rotor est désigné à nouveau par 7 et la bobine annulaire formant 1'organe de maintien électromagnétique par 8 Cette bobine annulaire comporte quatre prises.La constitution et les connexions de la bobine ne forment pas partie de l'invention et n'ont donc pas à être examinéefi D'autres constitutions de l'organe de maintien électromagnétique sont utilisables sans difficulté; en partieulier, on peut avoir recours à un certain nombre de bobines élémentaires disposées concentriquement autour du rotor La bobine annulaire 8 est montée de telle manière qutelle puisse diriger vers le rotor 1 des forces magnétiques suivant deux axes perpendiculaires, c'est-à-dire, suivant les directions fléchées a et b. La superposition des forces dirigées suivant ces axes permet d'obtenir une force résultante de toute orientation désirée A chacun des axes fléchés a et b est subordonné un couple de tâteurs décar- temeut,désignég respectivement par 6a et 6b suivant l'axe auquel ils correspondent. Le dessin ne représente que schématiquement la disposition des tâteurs qui, en pratique, doivent être disposés tout près du rotor lui-meme Comme le montrent les flèches, les valeurs transmises par les tâteurs 6a et 6b sont fournies aux mécanismes de réglage 7a et 7b associés aux axes correspondants et qui agissent par des moyens non représentés sur la bobine annulaire; bobine qui peut commander les forces électromagnétiques de remise en place du rotor 1 servant au centrage et a l'amortissement. Le principe de la construction à deux axes représenté peut être appliqué aussi bien à plusieurs axes de réglage. La fig. 3 montre comment l'invention peut être appliquée à des rotors à plusieurs étages. on a pris comme exemple ici un rotor à 3 étages I Cependant, l'invention est applicable sans difficulté aussi bien à dea rotors à quatre étages. la constitution du palier inférieur I correspond exactement à celle du palier inférieur de la fig. 1 et ce palier n'est donc représenté que schématiquement Le plan supérieur il recevant un palier correspond également à celui du plan recevant le palier supérieur de la fig. 1, à cette différenoe près que la bobine annulaire n'entoure pas un prolonge me nt spécial du rotor, mais bien l'extrémité supérieure du rotor lui-même Cette extrémité supérieure doit donc être, dans ce cas, en un matériau ferromagnétique. la disposition des tâteurs 6 et du mécanisme de réglage 7 répète celle de la fig. 1 sans aucun changement. Sur la fig. 3 on a représenté des plans da palier de maintien supplémentaires, à savoir les plans de palier II' et II" Chacun de ces plans contient comme le plan du palier II un organe de maintien électromagnétique avec le mécanisme de réglage correspondant La distribution de ces éléments dans les plans II' et II" est définie par les références 8' et 8't pour l'organe de maintien et 7' et 7" pour le mécanisme pour les tateurs ei 6' et 6"/.On obtient donc dans chaque plan Il, II' et II'3 un réglage individuel par les tâteurs et les mécanismes de réglage du plan considéré Autrement dit, les plana de palier de maintien ne sont pas couplés électriquement d'une manière directe l'un avec l'autre. Comme on lta déjà expliqué pour le plan Il, ce dernier n'est pas assujetti à un point détgaWiné et il peut entourer aussi bien un prolongement du rotor que le rotor lui-même en tout point de sa hauteur De même, les autres plans de palier II' et II" peuvent etre prévus en tout point techniquement favorable choisi le long de l'axe de rotation du rotor on peut ainsi déterminer à vo lonté la position des plana de palier suivant les circonstances Contrairement à la forme d'exécution de la fig , en a utilisé pour l'entraînement non plus un moteur axial mais un moteur radial 5'. Celui-ci entoure le rotor 9 dans un plan transversal A choisi à volonté Les flèches indiquent que la posi- tion de ce plan d'entraînement A peut etre réglée ou choisie à volonté Elle peut également s'adapter complètement aux exigences techniques imposées au rotor et à son utilisation La fig. 4 représente encore un rotor I à trois étages comme exemple de rotor à plusieurs étages. Le plan de palier inférieur I est identique à celui de la fig. I Le palier inférieur comporte encore l'axe de palier 2 à montage amorti Dans le cas de la fig. 4, on n'a prévu qu'un seul plan de palier supérieur s'étendant à une certaine distance de l'ex- trémité supérieure du rotor La constitution de la bobine annulaire 8 et du mécanisme de réglage 7 est également répétée sans modification. Dans cet exemple, le moteur radial 5' disposé dans le plan d'entraînement A est repoussé vers le haut le long de l'axe du rotor Dans toutes les formes d'exécution décrites, les conditions imposées ci-dessus sont satisfaites on obtient dans tous les cas, grâce au palier supérieur à action électromagnétique un bon amortissement des oscillations propres du rotor qu'elles aoient à haute ou à basse fréquence out raccourcissement éventuel du rotor au cours de sa rotation à grande vitesse ne joue plus alors aucun rôle et l'on obtient un avantage particulier du fait que l'on ne restreint pas la position plan de palier supérieur à la surface transversale terminale du rotor et qu'elle peut être choisie à volonté Même avec un seul plan de palier supérieur, plan qui n'est pas nécessaire- ment localisé à l'extrémité supérieure du rotor, on peut atteindre à une bonae stabilisation et à un amortissement des oscillations propres à haute et à basse fréquence on peut choisir et disposer les moteurs d'entraînement et les plans de palier de manière à satisfaire à toutes les autres exigences on est également parfaitement libre pour le choix et la disposition des tâteurs Leur position par rapport à l'organe de maintien et au plan de palier n'est pas prévu d'une manière obligatoire. Ils peuvent être placés aussi bien au-dessus ou au-dessous de cet organe et de oe plan, et même être incorporé, le cas échéant, à l'organe de maintien Le dispositif préconisé ci-dessus garantit un comportement stable du rotor en cours de fonctionnement, dans toute la gamme des vitesses allant du repos jusqu'à la vitesse maxima possible. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stabilisation pour rotors à grande vitesse, allongés dans le sens de leur axe de rotation vertical, du type où le palier inférieur du rotor comporte un axe de centrage à effet amortisseur et un plan de palier supérieur à action magnétique, caractérisé par au moins un organe de maintien dans au moins untel plan supérieur, cet organe à action électromagnétique entourant des éléments ferromagnétiques du rotor et appliquant à la partie du rotor ainsi entourée au moins deux forces magnétiques dirigées dans un plan horizontal et distribuées uniformément dans ce plan, tandis que des tâteurs disposés suivant les lignes définies par ces forces sont soumise l'action de mécanismes de réglage associés à ces lignes. 2. Dispositif de stabilisation suivant la revendication i, caractérisé par l'utilisation de plusieurs organes de maintien à action électromagnétique associés chacun à un mécanisme de réglage et distribués le long de l'axe du rotor dans des plans de palier différents correspondants