Brevet FR2368638A1 — publié le 19780519

La présente invention concerne les dispositifs magnétiques de centrage relatif de deux pièces mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre, utilisant uniquement des aimants permanents, c'est-à-dire du type passif. On cannait déjà de nombreux dispositifs magnétiques de centrage. La plupart sont du type à réluctance variable et utilisent des pièces maqnétiques de forme annulaire dont les faces en regard portent des dentures tendant à maintenir les deux pièces en position centrée l'une par rapport à l'autre. Il est très difficile de terminer par le calcul les caractéristiques d'un tel dispositif de centrage. De par la constitution même du palier, le rapport entre raideur radiale et force axiale est limité.Les pièces magnétiques polaires étant gssnssralement en matériaux doux, tout décentrage s'accompagnera d'une variation d'aimantation, génratrice d'une raideur inférieure à celle qu'on aurait dans le cas d'un matériau magnétique dur, dans lequel ne se produit pas une telle variation. On cannait par ailleurs (brevet FR 1 224 098) un dispositif magnétique de centrage constitué de deux aimants annulaires identiques, aimants axialement dans le même sens, portés l'un par une partie fixe et l'autre par la partie rotative à centrer par rapport à la partie fixe. Dans les deux cas ci-dessus mentionnés, les seuls matériaux qui ont té envisagés pour constituer les aimants sont les matériaux classiques (matériaux ferromagnétiques, ferrites et alliages du genre "Ticonal"). Les paliers ainsi réalisés ne permettent pas d'atteindre des raideurs suffisantes. De plus, les matériaux classiques ne peuvent pas tolérer des conditions de travail pour lesquelles le produit poH, où p0 désigne la perméabilité du vide et H le champ démagnétisant interne total, serait supérieur à l'aimantation. Ceci interdit pratiquement, avec des matériaux classiques, toute disposition en vis à vis de pièces aimantées dans des directions opposées.En effet, la composition du champ magnétique propre, liée à la forme d'un des aimants du dispositif, et du champ dû à l'autre aimant conduirait à soumettre le premier à une action qui aurait pour cons- quence une désaimantation totale. La présente invention vise à fournir un dispositif magnétique de centrage à aimants permanents répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notam ment en ce qutil est simple, fiable et susceptible de nombreux modes de réalisation, et facile à calculer de façon à obtenir, pour une force axiale donnée, la raideur radiale souhaitée. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif magnétique de centrage relatif de pièces mobiles en rotation l'une par rapport-à l'autre autour d'un axe, comprenant au moins un aimant annulaire porté par l'une des pièces et au moins un aimant annulaire porté par l'autre pièce, les aimants étant tous deux permanents et à aimantation axiale, caractérisé en ce que les aimants présentent des dimensions radiales différentes et sont réalisés dans un matériau à base de composé cobalt-terre rare lequel conserve une aimantation supérieure à 0,8 Tesla meme en présence d'un champ démagnétisant H tel que poH soit supérieur à son aimantation. Dans la pratique, on utilisera en général des aimants samarium-cobalt dont le champ coercitif H dépasse 1,2 x 106 c A.m1 -correspondant à P tirgHG =1,5 Tesla). Lorsqu'il sera nécessaire d'avoir un débattement radial important, on utilisera gdnéralement un dispositif dont les deux pièces portent des aimants aimantés dans des sens opposés. L'une des pièces pourra en particulier porter deux aimants encadrant, dans le sens radial, un aimant unique porté par l'autre pièce. On peut notamment obtenir un débattement radial important en séparant par un entrefer l'aimant porté par une pièce des aimants portés par l'autre. Au contraire, lorsqu'on recherche un débattement axial important, on pourra utiliser des aimants aimantés dans le mdme sens et présentant un recouvrement dans le sens axial. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Pig. 1 est un schéma de principe d'un dispositif de centrage d'une pièce rotative par rapport à une pièce fixe, en coupe suivant un plan vertical passant par l'axe de rotation, - la Fig. 2 est un schéma comparatif faisant apparattre la différence de propriétés magnétiques entre les ferrites (zone B) et les matériaux terre rare-cobalt (zone A), - la Fig. 3 montre la variation, en fonction de l'entrefer e, de la force axiale F et de la raideur radiale z en position centrée R = -( Fx = o pour un palier du qenre x -- montré en fiqure 1. xx - les figures 4 à 9 montrent schématiquement, en coupe suivant un plan passant par l'axe, une fraction de centreursconstituant des variantes du mode de réalisation de la figure 1, - la figure 10, similaire à la figure 1, montre une autre variante encore de réalisation, dans laquelle les aimants des deux parties ont une aimantation axiale de meme sens, - la figure 11, similaire à la figure 3, montre les propriétés d'un palier du genre illustré en figure 10. Les types de centreur qui seront maintenant décrits à titre d'exemples peuvent etre considérés comme appartenant à deux familles différentes qui seront successivement décrites. Dans la première famille, l'aimant ou les aimants portés par une pièce ont une aimantation de sens opposé à celle de l'aimant ou des aimants portés par l'autre pièce. Au contraire, les aimantations sont de même sens dans les centreurs faisant partie de la seconde famille. Le centreur représenté schématiquement en figure 1 comporte essentiellement deux parties 10 et 11. La partie 10 sera arbitrairement, et pour plus de simplicité, considérée comme partie statorique, tandis que la partie 11 sera considérée comme partie rotorique. En fait, toutefois, la disposition peut parfaitement être inversée. La partie statoriquelO comprend deux aimants permanents 12 et 13, de forme annulaire et présentant un axe commun 14. Ces anneaux sont en matériau terre rare-cobalt (en général samarium-cobalt SmCo5) acceptant un champ démagnétisant élevé. Dans le mode de réalisation illustré, ces anneaux ont une section droite rectangulaire, de largeur radiale a et de hauteur H. Ils laissent subsister entre eux un volume qui est également de largeur radiale a. La partie rotorique Il comprend un seul anneau 15 dont la section droite correspond à celle du volume libre entre les deux anneaux 12 et 13. Entre les faces en regard de l'anneau 15 et des anneaux 12 et 13 subsiste une distance axiale e que, pour plus de simplicité, on appellera "entrefer". Les aimants 12 et 13, d'une part, l'aimant 15 d'autre part, ont des aimantations axiales de sens opposé. Il est possible d'adopter cette disposition grâce aux propriétés magnétiques. des matériaux terre rare-cobalt. I1 serait totalement exclu d'utiliser, avec cette même disposition, des matériaux classiques. Si l'on se reporte à la figure 2, où la zone A correspond aux propriétés des matériaux terre rare-cobalt et la zone B aux ferrites, on voit que le rapport entre champ démagnétisant H et aimantation J, dans le cas des ferrites, conduirait à une désaimantation certaine dans le cas de la disposition montrée en figure 1. En conséquence, on constate que, par l'emploi de matériaux terre rare-cobalt associé à une disposition particulière, on arrive à des centreurs qui se différencient des centreurs antérieurement connus non pas simplement par un degré d'efficacité accru, mais par une différence fondamentale de nature même. Un avantage supplémentaire-du centreur montré en figure 1 est qu'il est facile de calculer l'ensemble de ses propriétés. De plus, il existe, entre la force axiale résultante F z qui s'exerce sur le rotor pour une valeur e de ltentrefer, et la raideur radiale utile Rx lorsque le rotor est centré, la relation : La figure 3 montre, à titre d'exemple, les variations de R et de F en fonction de e. On voit que la raideur reste z ~ positive pour une large plage de variations de F et, en parti z culier, qu'on peut constituer un centreur exerçant sur le rotor soit une force de pression supplémentaire, soit une force de lévitation, soit une force axiale pratiquement nulle. En agissant sur les dimensions géométriques du centreur, on peut aisément, pour une valeur imposée de Fz, obtenir la raideur requise. Lorsque le centreur est utilisé pour maintenir un rotor tournant à très grande vitesse, ce qui est en particulier le cas dans les ultracentrifugeuses de séparation isotopique, il peut être utile de renforcer l'aimant 15 pour éviter son éclatement. Ce résultat peut être atteint de façon simple en cerclant l'aimant 15 à l'aide d'une frette ou une coquille en matériau à t-ension de rupture élevée. Lorsque la partie rotorique (ou la partie statorique) se trouve, en fonctionnement, dans une atmosphère corrosive, on peut également gainer entièrement les aimants en un matériau résistant à cette atmosphère. S'il s'agit par exemple d'hexafluorure d'uranium, on peut en particulier utiliser une gaine en acier nickel-manganèse. Etant donné la présence de l'entrefer e, il est enfin possible de disposer, entre la partie rotorique il et la partie statorique 10, une cloison d'étanchéité en matériau non magnétique. On peut ajouter à la partie rotorique Il et à la partie statorique 10 un anneau supplémentaire, comme indiqué schématiquement en trait mixte sur la figure 1. On améliore ainsi les performances du centreur et en particulier sa raideur radiale,en contrepartie évidemment d'un accroissement du prix de revient. On peut également doubler le nombre des aimants sur l'une des parties 10 et 11, de façon que les aimants d'une des parties encadrent axialement l'aimant ou les aimants de l'autre. La figure 4 montre par exemple un centreur dans lesquel la partie rotorique lia ne comporte toujours qu'un seul aimant 15. Par contre, la partie statorique comporte dune part deux aimants 12a et 13a placés au-dessus de l'aimant iSa, d'autre part, deux aimants 16 et 17 (identiques aux aimants 12a et 13a) placés au-dessous. Dans ce cas, toute diminution de l'entrefer e audessus de l'anneau 15a se traduit par une augmentation corrélative de l'entrefer au-dessous de l'anneau 15a.Dans cette dispo sition symétrique, la force axiale F est nulle par raison de z symétrie lorsque la partie rotorique lla est exactement centrée dans le sens axial et la raideur radiale est augmentée par rapport à celle du centreur montré en figure 1. Dans tous les modes de réalisation décrits jusqu'a présent, les bagues ont toutes la même section droite par un plan passant par l'axe. On peut avoir intkrêt, en particulier pour modifier la loi de variation de la force axiale F en fonction de z l'entrefer, à utiliser des sections différentes comprenant des largeurs radiales et/ou des hauteurs différentes. En particulier, dans le mode de réalisation illustré en figure 5, la bague 13b a une hauteur H2 inférieure à la hauteur H1 de la bague 12b. Dans tous les modes deoréalisation décrits jusqu'à présent, le débattement radial de la partie rotorique n'est pas limité par un risque de butée entre les aimants. En conséquence, ces dispositifs tolèrent un débattement latéral,en fonctionnement normal ou accidentel, supérieur à celui des centreurs classiques dans lesquels il y a interpénétration des organes rotorique et statorique. De plus, c'est en général dans le cas ou les deux aimants de l'une des parties laissent entre elles un espace dont la largeur radiale est égale à la largeur de l'aimant porté par l'autre partie que l'on obtient les meilleures performances du centreur. Toutefois, en particulier lorsqu'on recherche un débattement axial important, il peut être utile d'accepter une interpénétration axiale des parties rotorique et statorique. La figure 6 montre un palier de ce genre, dans lequel les aimants 12c et 13c de la partie statorique îOc sont séparés par un espace de largeur radiale A supérieure à la largeur radiale a de l'aimant 15c de la partir rotorique llc. On peut également, comme dans les modes de réalisation des figures 7 et 8, ajouter soit sur la partie rotorique, soit sur la partie statorique, des aimants supplémentaires éloignés de l'entrefer. L'addition de ces aimants ne modifie que très modérément les performances du centreur et en qénéral elle ne sera pas économiquement justifiée, sauf si des critères particuliers sont à remplir.Dans le cas de la figure 7, la partie statorique 10d comporte, entre les aimants 12d et 13d, un troisième aimant annulaire 18, de même forme qu'eux mais plus éloiqné de l'aimant 15d dans le sens axial. Ce troisième aimant 18 a une aimantation axiale de sens opposé à celui des aimants 12d et 13d et tendra donc à diminuer la force axiale de répulsion exercée sur l'aimant 15d. Dans le mode de réalisation illustré en figure 8, les aimants 12e et 13e sont simplement solidarisés l'un de l'autre par un pont 19 qui constitue l'équivalent d'un troisième aimant (indiqué schématiquement en trait mixte) aimanté dans le même sens que les deux premiers. Enfin, au lieu d'ajouter des aimants à la disposition de base montrée schématiquement en figure 1, on peut simplifier celle-ci en prévoyant une seule bague dans la partie statorique et une seule bague dans la partie rotorique, les aimantations axiales des deux bagues étant de sens opposé. Une telle disposition est illustrée schématiquement sur la figure 9, où les aimants annulaires 12f et 15f correspondent respectivement aux aimants 12 et 15 de la figure 1. On obtient ainsi un dispositif plus économique, au prix d'une dégradation des caractéristiques. Dans tous les cas, l'aimant annulaire de plus petit diamètre peut être remplacé par une pièce cylindrique. Quel que soit le mode de réalisation adopté, on voit qu'il implique de mettre côte-à-côte des aimants prssen- tant des aimantations opposées, sans pour autant qu'il existe obligatoirement un effort de répulsion axiale entre partie statorique et partie rotorique. pour faire apparaître l'intérêt du centreur suivant l'invention, on donnera maintenant un exemple numérique d'application. Un centreur du genre illustré en figure 1 a été réalisé en utilisant des aimants samarium-cobalt fabriqués par la société UGIMAG et disponibles commercialement. L'aimant 13 avait un diamètre interne de17,6 mm et les sections droites des trois aimants étaient identiques, avec a = 2,5 mm et H = 8,1 mm. L'ensemble des aimants 12, 13 et 14 pesait environ 40 g. Le centreur ainsi réalisé permettait d'atteindre une raideur radiale R de l'ordre de 10 N/mm. x Au lieu d'utiliser des aimants présentant des aimantations axiales de sens opposé, on peut également utiliser des aimants ayant une aimantation de même sens dans la partie rotorique et dans la partie statorique. Mais, dans ce cas, on sera en général amené à avoir un recouvrement axial important des deux aimants. Dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple en figure 10, la partie rotorique 11g comporte encore un seul aimant 15g de diamètre intérieur ss et de largeur radiale a. La partie statorique lOg comporte également un seul aimant 12g, qui, dans le mode de réalisation illustré, a une section droite de même largeur radiale a et de meme hauteur H que l-'aimant 15g. Un jeu radial subsiste entre la face interne de l'aimant 12a et la face externe de l'aimant 15g.En fonction nement normal, les aimants présentent un recouvrement axial, c'est-à-dire que la distance b entre Leurs plans médians est inférieure à Les centreurs du genre montré en figure 10 sont de construction encore plus simple et plus économique que ceux de la première famille. On calcule encore aisément la force axiale F appliquée au rotor par le stator et la raideur radiale R z x (moitié de la dérivée de F par rapport à étant donné que l'ai z mantation de chaque aimant reste invariable quelle que soit la disposition relative des aimants. La figure 11 montre l'allure de la variation F et de Rx en fonction de b.La force r est z z évidemment nulle lorsque les deux aimants sont centres axialement l'un dans l'autre. Dans le cas illustré, où les deux aimants ont la meme hauteur H, la raideur Rx est alors maximums~ Elle varie d'ailleurs lentement avec b autour de la position centrée, étant donné que la courbe de variation de-F z présente un point d'inflexion pour b = O. On voit que l'on peut obtenir aisément, en utilisant la disposition illustrée en figure 10, un centreur présentant à la fois une raideur radiale élevée ( proche de celle obtenue a vec la disposition de la figure 1) en meme temps quune force r z très faible. Lorsqu'on cherche à obtenir une raideur variant peu dans un large domaine de débattement axial, il peut etre avantageux de donner aux aimants 12 et 15 des hauteurs différentes. g g On peut ainsi obtenir, comme indiqué par les courbes en tirets sur la figure 11, soit une variation faible de raideur R dans x une plage étendue de valeurs deb soit même une variation de R présentant deux maxima pour deux valeurs symétriques 2bs On voit ainsi que le centreur montré en figure 10 permet, lorsque l'on accepte de n'avoir qu'un dEbattement radial limité à la valeur du jeu entre les aimants 12g et lSq, un ddbat- g tement axial important sans variation excessive de la raideur Ltinvention est susceptible de nombreuses applications. A titre d'exemple, on peut notamment citer les suivantes. Deux centreurs d'un des types ci-dessus Reuvent entre utilisés pour supporter les tourillons d'une roue à inertie, en particulier sur un satellite. Dans ce cas l'invention présente notamment l'avantage de fournir un dispositif entiArement passif, ne consommant pas d'énergie, qui peut facilement outre complété par un système magnétique actif ou passif de suspension axiale Le dispositif peut également etre utilisé pour le centraged'un bol de centrifugeuse de séparation isotopique dont la suspension peut etre assurée soit également par des moyens magnétiques, soit par une pivoterie classique. Dans le cas d'un bol de grande longueur axiale, le mode de réalisation de la figure 10 présente un intérêt tout particulier, étant donné qu'il permet de maintenir une raideur approximativement constante en dépit des débattements verticaux dus à des effets mécaniques ou thermiques. Le dispositif peut également être utilisé pour le centrage du rotor d'une pompe turbo-moléculaire. Il peut enfin servir à centrer des pièces tournantes beaucoup plus importantes, telles qu'un volant de stockage d'énergie cinétique. Il va sans dire que l'invention ne se limite nullement aux modes particuliers de réalisation et aux applications qui ont été envisagés ci-dessus et que la portée du présent brevet s'étend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif magnétique de centrage relatif de pièces mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un axe, comprenant au moins un aimant annulaire porté par l'une des pièces et au moins un aimant annulaire porté par l'autre pièce, les aimants étant tous deux permanents et à aimantation axiale, caractérisé en ce que les aimants sont à base de composé cobalt/terre rare présentant une aimantation supérieure à 0,8 Tesla et un champ démagnétisant supérieur à leur aimantation et présentent des dimensions radiales différentes. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants sont aimantés dans des sens opposés. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lune des pièces porte deux aimants encadrant, dans le sens radial, un aimant unique porté par l'autre pièce. 4. Dispositif suivant la revendication 3, destiné à présenter un débattement radial important par rapport à son débattement axial, caractérisé en ce que les faces les plus proches des aimants portés par les deux pièces sont séparées par un entrefer et en ce que les dimensions radiales des aimants sont telles qu'il ne subsiste pratiquement aucun jeu radial entre deux aimants mobiles l'un par rapport à l'autre. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'un au moins des aimants portés par la première pièce déborde dans le sens axial sur l'aimant uniquement porté par la seconde pièce, un jeu radial au moins égal au débattement à réaliser étant prévu entre l'aimant unique et les aimants portés par la premiere pièce. 6. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les deux aimants portés par la première pièce sont fusionnés. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants sont aimantés dans le même sens et présentent un recouvrement dans le sens axial. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les aimants ont une longueur différente, la différence de longueur étant choisie pour que la raideur radiale suivant une loi déterminée pour une variation imposée de la position relative des deux aimants dans le sens axial. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant annulaire de plus faible diamètre est remplacé par une pièce cylindrique. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins des aimants est fretté ou gainé pour augmenter sa résistance mécanique ou le protéger contre une ambiance corrosive. 11. Application d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes au centrage et éventuellement à la suspension d'une roue à inertie, d'un bol de centrifugeuse, du rotor d'une pompe turbomoléculaire ou d'un volant de stockage d'énergie cinétique.