Brevet FR2224850A1 — publié le 19741031

La présente invention concerne un électro-aimant et plus particulièrement un électro-aimant à grande force portante et faible temps de réponse, supporté par un arbre dont l'axe marque la direction de l'attraction à exercer par ltélectro-aimant sur un ensemble coaxial au même axe, pouvant être un ensemble tournant. Pour préciser les idées, on peut indiquer dès maintenant qu'or vise à obtenir uneforce portante d'au moins 25 kg et un temps de réponse d'au plus 2 ms.Les deux qualités demandées, grande force portante et faible temps de réponse, qui sont pourtant nécessaires conjointement dans une application particulière concernant l'équipement d'un satellite, et qui sont susceptibles encore d'applications multiples, sont plus ou moins contradictoires, de sorte que jusqu'a' présent il n'é- tait pas possible de les obtenir en combinaison dans un même électro-aimant. De plus, l'électro-aimant doit avoir - une action de recentrage lorsque l'armature subit un déplacement radial. Le résultat recherché peut néanmoins être atteint si, conformément à l'ine-ntion, la partie dite fixe ou noyau de l'électro-aimant et sa partie mobile ou armature sont conformées toutes deux coaxialement à 1'axe de l'arbre support du noyau et faites de tales magnétiques concentriques en mate'riau à haute induction de saturation, appliquées les unes contre les autres. L'invention -sera mieux expliquée et comprise en se reportant à la description ci-apres d'un exemple de réalisation, donné à titre non limitatif, avec référence aux dessins. Sur ces dessins: - la figure 1 montre, en coupe axiale, une demi-section de 1'électro-aimant selon l'invention, et, - la figure 2, à grande échelle, la section des dents au voisinage de l'entrefer. Le noyau de lélectro-aimant à réaliser est monté sur un arbre 7 (Fig.1). I1 est prévu, pour l'application particulière envisagée, que l'électro-aimant doit exercer une force d'attraction de direction bien précise et aussi avec une force portante relativement considérable, tout en ayant un temps de réponse bref. La direction de la force d'attraction dot etre telle que pour tout déplacement radial de l'armature, il existe une composante de force de recentrage de cette armature autour de l'axe I-X de l'arbre 1. Dans le domaine des courants faibles, on penserait tout de suite, pour une telle réalisation, à employer un noyau en fer divisé ou en ferrite. Mais le flux qu'il faut créer dans le cas présent, pour obtenir des forces portantes de l'ordre de grandeur envisagé (25 kg), est trop intense pour pouvoir employer ce matériau. Aussi, selon l'invention, on utilise un matériau plus classique, à haute induction de saturation sous forme feuilletée: ce seront des tôles au Pe:Co. Le feuilletage évite en grande partie la circulation de courants de Foucault qui limiteraient la bande passante du système dans lequel l'électro-aimant est inséré, c1est--dire accroitraient son temps de réponse. Cette bande passante est définie par la réponse en fréquence de la force d'attraction, considérée comme étant la grandeur de sortie du système, au courant dans la bobine de l'électro-aimant considéré comme grandeur d'entrée. En même temps, selon l'invention, les tôles isolées les unes des autres, collées et appliquées les unes contre les autres, entourent coaxialement et concentriquement l'arbre 1, aussi bien pour constituer le noyau que l'armature.L'isolement mutuel des tôles est réalisé, par exemple par une oxydation superficielle, sans que ceci soit limitatif. Sur la figure 1, on voit comment en pratique l'électroaimant a été réalisé. te noyau 2 (ou 2a, 2b, 2c, fig.2) est serré autour d'un manchon 3 monté sur l'arbre 1. Au noyau 2 correspond une armature 4 (ou 4a, 4b, 4c) en regard, solidaire de la pièce 5, concentrique à l'axe X-X, qui transmet l'effort créé par l'électro-aimant, excité par un bobinage 6, également concentrique à l'axe. Le noyau aussi bien que l'armature sont réalisés en appliquant l'une sur l'autre trois tôles 2a, 2b, 2c, à haute induction dans le cas présent. Néanmoins, ce nombre ne doit pas être considéré comme limitatif, mais avec les tôles utilisées pour l'exemple de réalisation, d'épaisseur 0,6 à 0,8 mm, on arrive à obtenir, avec un circuit adéquat, un temps de réponse de 2 ms. Il faut remarquer en outre que la section du noyau, qu'on peut imaginer engendrer le volume du noyau par révolution autour de l'axe X-I, a ici une forme à peu prés en U, et il en est de même de l'armature. Ceci permet de loger à son intérieur, sans perte de flux, le bobinage excitateur. I1 passe un courant- assez important dans ce dernier (de l'ordre de 500 A) et néanmoins, la distance entre 1 entre les branches de 1'U (en pratique 0,3 cm) est insuffisante pour loger un nombre de tours suffisant pour le bobinage; c'est pourquoi, à la branche de l'U, se trouvant le plus à l'extérieur, on a donné une forme renflée.En outre, gracie à la forme en U, on peut dire que la section du noyau ou de l'armature, comporte six tôles. Ces tôles sont usinées dans la masse invidivuellement et avec précision, puis emboîtées les unes dans les autres, ce qui assure le serrage et le maintien, sur le manchon 3 pour le noyau, et sur la pièce 5 pour l'armature. L'entrefer entre l'armature et le noyau est de l'ordre de 0,2 mm et la course utile de l'armature est limitée, par des butées (non représentées) à 0,15 mm. Avantageusement, on donne à l'entrefer une forme conique ou quasi conique, les faces de l'entrefer S, S' en regard étant parallèles dans leur ensemble, mais aveodes dentures. les sommets imaginaires des cônes des deux faces d'entrefer sont situés du même côté que l'armature par rapport au noyau. Le but de cette disposition est d'obtenir un auto-centrage de l'armature sur l'axe X-X, c'est-à-dire que la force d'attraction est dirigée avec précision. A cet égard, on a trouvé que l'angle au sommet C des cônes devait être pratiquement compris entre 150 et 1700 . Les dents, de forme tronquée, ont des flancs faisant respectivement 280 et 400 avec la direction générale X'-X parallèle à l'axe X-X. Sur la figure 2, on a marqué ces différentes valeurs, ainsi que les dimensions utiles en microns, à titre d'exemple non limitatif et pour fixer les idées. Un avantage du dispositif de l'invention consiste en ce qu'il permet une rotation éventuellement rapide (de l'ordre de 10.000 t/mn) du système, sans couple de freinage qui pourrait être dû à des courants de Foucault dans le circuit magnétique de ltélectro-aimant, du fait que ce circuit est divisé en cylindres concentriques à égale répartition du flux autour de l'axe, le dispositif conservant cependant ses propriétés d' auto-centrage. L'association des dentures et d'un entrefer conique, au moins sensiblement, permet d'obtenir des propriétés de centrage de l'armature et aussi de les faire varier en fonction de la forme exacte des dentures et de l'entrefer. On peut notamment envisager des entrefers sphériques ou de toute autre forme de révolution appropriée sans pour celà sortir du cadre de la présente invention. Au cas où l'ensemble à centrer comporterait un point d'emplacement fixe sur l'axe, le dispositif de cette invention permettra un recentrage par pivotement transverse autour de ce point; il convient alors d'adopter pour l'entrefer une forme sphérique, au moins sensiblement, ayant son centre en ce point. I1 va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICT IONS 1. Structure d'électro-aimant à grande force portante et faible temps de réponse, le noyau ou partie dite fixe de l'électro-aimant étant supporté par un arbre dont l'axe marque la direction de l'attraction à exercer par l'électro-aimant sur un ensemble coaxial audit axe, caractérisée en ce que la partie noyau et la partie armature mobile sont conformées toutes deux coaxialement audit axe et faites de tôles magnétiques concentriques en matériau à haute induction de saturation, isolées et appliquées les unes contre les autres. 2. Structure d'électro-aimant selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section en matériau magnétique, engendrant ledit noyau par révolution autour dudit axe, a une forme sensiblement en U ouvert et dirigé vers l'armature suivant une direction parallèle audit axe, les tôles étant emboîtées les unes densles autres, et l'armature a une forme en U correspondante dirigée en sens inverse, le bobinage excitateur étant logé dans l'intérieur de la section en U du noyau et établi concentriquement audit axe. 3. Structure d'électro-aimant selon revendication 2, caractérisée en ce que la branche extérieure de 1'U a une forme renflée pour loger un grand nombre de tours du bobinageexcita- tueur. 4. Structure d'électro-aimant selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, les surfaces de terminaison en regard du noyau et de l'armature étant coniques et parallèles, l'axe du cône desdites surfaces coniques étant celui de l'arbre support et leurs sommets imaginaires étant placés, par rapport au noyau, du même côté que l'armature, l'angle au sommet desdits cônes est compris entre 150 et 1700. 5. Structure d'électro-aimant selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites surfaces coniques sont dentelées, avec des dents tronquées dont les flancs intérieurs font un angle de 400, au moins sensiblement, avec l'axe de l'arbre support et les flancs extérieurs un angle de 280, au moins sensiblement, avec cet axe. 6. Structure d'électro-aimant selon l'une des revendications 1 à 3, pour agir sur un ensemble coaxial ayant un point d'emplacement fixe sur l'axe, caractérisée en ce que les surfaces de terminaison en regard du noyau et de l'armature sont au moins sensiblement sphériques et parallèles, avec ce point comme centre et de préférence pourvues de dentelures.