Brevet FR2361627A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne un détecteur perfectionné d'usure de palier, c'est-à-dire un dispositif pour détecter une tension engendrée par le déplacement d'un rotor provoqué par l'usure des paliers dans un appareil électrique rotatif à cou-5 rant alternatif» Un palier dferbre pour une motopompe» enfermé dans un carter, par exemple, est constitué par un manchon de portée du type en carbone dont la durée de vie utile est relativement instable car il est habituellement utilisé dans des conditions diverses, 10 Toutefois, une fiabilité élevée est nécessaire pour la motopompe qui est incorporée à une installation et en constitue un élément important. Bans l'un des détecteurs d'usure de palier utilisé jusqu'à présent, deux bobines détectrices sont disposées dans le 15 stator d'un appareil électrique rotatif à courant alternatif en étant espacées d'un angle spécifique et en étant reliées en série de manière à détecter une tension induite» Quand le détecteur d'usure de palier de ce type classique est monté dans une encoche du noyau statorique de 1'appareil électrique connu, 20 l'usure du palier ne peut être détectée si le déplacement du rotor provoqué par l'usure du palier a lieu dans une direction perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire au plan s'étendant entre les deux bobines de détection. D'autre part, la sensibilité de détection augmente d'autant plus que la direction' 25 du déplacement se rapproche du plan s'étendant entre les deux bobines de détection. En particulier, le détecteur classique d'usure de palier présente une directivité dans sa sensibilité de détection. A ce sujetr dans un appareil électrique rotatif utilisé 30 de façon pratique, la direction de la charge axiale est modifiée en raison de l'angle de montage vis-à-vis de la machine associée, du poids de la charge et autres facteurs analogues. D'une façon générale, lorsque l'on conçoit un moteur électrique, la direction de là puissance de charge appliquée au 55 palier ou la puissance appliquée à la direction radiale du rotor n'est pas définie. Par exemple dans la motopompe sous carter étanche, la direction de la réaction de la charge appliquée à l'axe varie en raison de propriétés physiques de l'écoulement, de la pression du liquide et autres facteurs analogues. Dans le 2 2361627 cas où les "bobines de détection sont disposées dans les positions "supérieure et inférieure de l'axe géométrique de rotation et où la réaction de la charge est appliquée dans une direction horizontale entraînant l'usure du palier dans cette direction 5 horizontale, lesdites bobines de détection sont insensibles à * * l'usure du palier. Pour éliminer cet inconvénient, il est nécessaire d'améliorer l'agencement des bobines de détection car, sinon, il serait nécessaire de modifier la direction de la mesure par un traitement peu commode pendant la fabrication et 10 le fonctionnement. D'une façon générale, la direction de la réaction de charge n'est pas définie et, par conséquent, la direction de l'usure du palier, c'est-à-dire la direction du déplacement du rotor, n'est pas déterminée,, Le détecteur classique d'usure de 15 palier présentant une directivité de mesure ne convient donc pas pour une utilisation pratique. La présente invention a pour objet général un détecteur d'usure de palier perfectionné qui est exempt de directivité en ce qui concerne la direction de mesure mais présente une iso-20 tropie dans la sensibilité de mesure vis-à-vis de l'usure du palier. Pour parvenir aux fins mentionnées ci-dessus, selon la présente invention,-trois bobines de détection sont montées, en étant décalées angulairement d'environ 120° , autour du noyau 25 de l'appareil électrique rotatif à courant alternatif comportant des pôles dont le nombre n'est pas vin multiple de trois, et ces trois bobines de détection sont reliées en série de manière que l'on obtienne une tension résultante. Dans un autre mode de réalisation de la présente inven-30 tion, quatre bobines de détection sont montées, en étant décalées angulairement d'environ 90° » autour d'un noyau de l'instrument électrique rotatif à courant alternatif comportant des pôles dont le nombre est un multiple de trois et non pas de quatre, avec un espacement et ces quatre bobines de détection sont reliées en 35 série de manière que l'on obtienne une tension résultante. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description faite ci-après en référence au dessin annexé sur lequel : 3 2361627 la figure 1 est tm schéma synoptique montrant un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est un diagramme montrant les courbes caractéristiques des tensions mesurées en fonction des excentri-5 cités du rotor ; et les figures 5 à 6 sont des représentations d'oscillogram-mes des ondes mesurées. Sur la figure 1, les bobines de détectionlO, 12 et 14 sont montées sur un stator 16 dans des positions relatives es-10 pacées angulairement d*environ 120° . La présente invention a pour objet de mesurer un déplacement éventuel de l'axe géométrique 18 du rotor 20 par rapport à l'axe géométrique 22 du stator 16. Les bornes de .sortie 24, 26, 28, 30 ,32 et 34 des bobines de détection 10 , 12 et 14 sont reliées en série de ma-15 nière à mesurer une tension résultante et à indiquer ainsi le déplacement entre l'axe 18 et l'axe 20 • On va décrire de façon théorique plus complètement la présente invention en se référant à 1'analyse mathématique ci-après • 20 Un champ principal (Ag) peut être représenté par l'é quation suivante : Ag(x, t) « A cosp(x- U) g.t+a1) (i) dans laquelle A désigne l'amplitude , b un logarithme polaire t 25 OO3 1& vitesse angulaire, x un angle par rapport à une coordonnée déterminée, t un temps et un angle de phase choisi arbitrairement. Si un flux magnétique traverse un élément de superficie (zone élémentaire) sur la surface de dents du stator correspon-30 dant à un microangle, Àx devient A0 et on obtient î A{>=Ag(x, t ) o Ago&x et par conséquent, d /dx=Ag( x,t).Ag 35 où g est la perméance de 'l'élément de superficie et cette per-méance - ~ g est équivalente à la perméance moyenne àQ du jeu à laquelle se superpose l'onde de perméance de la rainure ou encoche de rotor ^ 4 2361627 En supposant que l'onde de perméance de la rainure ou encoche de rotor est mie onde sinusoïdale présentant une proportion tel d8 amplitude en rapport avec la perméance moyenne &0, le nombre ïïg d'encoches de rotor, la vitesse angulaire ^ du rotor, l'angle de phase arbitraire otg permettant d'obtenir 5 urne perméance (x,t) en tant que fonction de l'angle x au moment t , la perméance Ag(x,t) est exprimée par l'équation ci-dessous î Ag(x,t)=AQ /~l+k cos N2 (x-^O t + a^J IX 10 où k est constant lorsque le rotor n'est pas déplacé mais prend des valeurs différentes en raison des angles différents, s'il existe un déplacement du rotor, c'est-à-dire une valeur maximale dans la direction excentrée mais une valeur minimale dans la direction opposée au déplacement. De ce fait, k varie régulière-15 ment de manière à former une onde sinusoïdale en fonction du décalage par rapport à l'une ou l'autre de ces directions. En supposant que la direction du déplacement se situe dani un angle 6 par rapport à une coordonnée déterminée, on a 20 k»kQ + k(A) cos(x -0) où kQ est une valeur moyenne et k(A) est une fonction de l'excentricité A déduite de l'amplitude de la fluctuation. Pour le flux magnétique traversant un élément de superficie star la surface de dent du stator, on a s 25 30 =* Ag(z,'b) 'Ag (X,i,) — A cosp(x-oJs-t )-Ao (A-*- {fi0+ -fz(A)CûS(X-6)} • cos A4 (X-œi+Ois) ~) *A-A0 cospcx-us-t■+*,)+A-/\o• iocosM(x-0ôt+O(2) 'cosp (Z-Ms-t+X, )+A-K- JUû)- cos(z-ô).cosNi 35 _ Pour simplifier et si on modifie l'équation précédente à l'aide d'un théorème additif et l'on obtient s 5 2361627 d§/dLx = a, cosp(x-cih-t+ex,;+f2[cos{crt2+p)x- CA/z-u)+ptûs}i; + (Ni -Xj + pJ(i)j + Cté{(Nz-p)X-(A/zù)-ptOs)t + (Nzx2 ^-}Cco£{(^ tpi- 0Z~ (Nz CO+pù)s) -é + (NzXz+pXj-e}-» cos{cNz+p- I)x-(M(x}+pOôsH (Nz'Xz~^p'^i )~f~ 6 j + COS je/Va- p+l)Zr-(MzUJ - ptàsrt-4- (Nz^-prtô-ô } + cos \cNz-p-i)X-—(A/2iû-pùJs)t + (NzXZm po(t )-*-&} y (iv) . Le îlV^ magnétique ^ traversant une dent quelconque du stator peut être exprimé par l'équation suivante s 25 30 35 'X. Zd.Siflp^'r/A/, . rnxp(x-aht + ;X,+ë^/M) P + £2 f sinÇN^)^/^ . ccs {cNz+PXXtP^yti,) cN^)}^vr/M ' C0S^c_H2-pXX+p>Tr./N,)~(N20i-p -+(A/-.y(24p-X/)'-f}-+ ~~^+p~zï'~ *cos{/Nz+p-DCX-+3WN,) • COs{(,Wz-p-i i)( )-(A^io-piOs)t -J-CNïXz-pOii )~ô y + SLnC^iPp-y)f7r/A// . cos\CN2 -p-0(z+£ ^/AJ, ) — (NztO-pCÙs)t ~+ (N2.X2 ~ pXt ) 0 \ 3 ^ 6 2361627 10 15 20 où est le nombre de rainures ou encoches du stator , P est la proportion Vie la largeur de la dent au pas des rainures ou encoches du stator» Par conséquent, la tension induite e de la bobine de détection peut être exprimée par 1'équation générale suivante t - h,5ivp(x~ui%t h H ~BZ €in{(Nz+f>)X-Mz+p(û$ )t+tp2 j-£■?-0:- j 'M,-pJz~(M.ùu-plo& )t )3 j ^ t*(à) sin[r/Vs +p +ijz -CNzbi -/pcos)t-fU - 6 } + tïW si// {(N2 +p-i) r~ C/VzW-^cO:: )i j- + 0 j •+ £-6 (6 )su]\(/V2+ p+> ) r-(/v2u)'pu2)t +YC -tfj sù? {(Wz -p -/;> - ^ eu -pù)s )t +r7 +ûj (VI) où n -est le nombre de spires de la bobine de détection. De ce -fait, on—a; __ je, ^-^.^■.zctiSinpfiTr/A/, , f, ^ X> + fi V-//V, r iâjjl±£^-s-- ■ a-2 su, (a/2+p)^Vm ; h - (N2& + po(,)+ (M2 -ïppv//;, /v 2. -r P 25 E^-w-• az sir,(M-P\St/m ; h ~(N,^-po(, h (Nx-p)ïMt, N-l~P r /&&+Ws, â3j£èL.sir)(A/i+P + i)pTr/N, , ■— ^ /V2 +P-4-/ ~ £> . 30 r fc (Nz+p-OPj/M Fs fa =■(N^oh-pU,)^ (hlz-p+1 )ë'7?/Ni ~ë7 ^~p-f • • SM(Ni-p-l)p7r/rt, , 35 -(A/zOij-p&/) + W2~P~/ ¥VM 11 Dans le mode de réalisation principal de la présente invention, trois bobines de détection sont disposées en étant espacées angulairement d'environ 120°. Par conséquent, la tension totale induite résultante e^, des trois bobines de détection est donnée par 1'équation ci-dessous : 7 2361627 10 « ex,0 * ex - + = - ( / + 2 CCS p • Z7?/? ) bi Ol pClûst - - -j!•+ 2,(0S (Nz -f>) Z1p3 j Ls {(A/ho~ piOsJi ~ - }H■ 2 C0Z(.A/z +p-* i ) Zv/3 }_Ea(A ICni f(N;ù)+ pùùs)t-fa+d} - {H-2m(N^P-02% ?£>(^)Slr){(J.j2m-tptùsX-■)> -ô) -{/ + ZCc£a/2-y^!)z%} E; tisïï-è'6-+e} -{/-+ 2ccs.(N*-P~l)2JT/]}F>/A)sh/{(huùd-pô)s)t-àf ~â] (VII) 15 En tenant compte alors du paramètre qu'il faut multi plier par chaque terme de l'équation ¥11 précédente, on obtient ainsi les équations suivantes : Premier terme : 2q Quand p £ 3i6,9»12... (non multiple de 3) , (1 + 2 cos p. 2Tf/3) = 0 P * 3»6,9»12... (multiple de 3) (1+2 cos p.2 y /3) =3 (¥111) 25 Second terme : Quand (N2 + H 3,6,9,12 on a J {1+2 cos (N2+p)2ir/3> = 0 30 Quand (N2 B 3,6,9,12 ..on a f {1+2 cos (N0-»p)2ir/3} 3 3 (IX) Troisième terme s Quand (IL, - p) H 3,6,9,12 ... 35 onT a : {1+2 cos (N2-p)2ir/3} - 0 ■ Quand 1 (n2 -p) = 3,6,9,12 ... On a : {1+2 cos -N2-p)2ir/3> = 3 CX) 2361627 15 20 25 Quatrième -terme : Quand" (N2 + 1} h 3,6,9,12 on a : {1+2 cos (N2+ p + 1)2tt/3} = 0 Quand (n2 + p + 1) = 3,6,9,12 .... > . . .. Ona t {1+2 cos (N3+ p + 1)2it/3} =3 /YT\ Cinquième terme ; "" " * x/ Quand (N2 + P H 3,6,9,12 .... on a s {1+2 cos" (N2+ p -1) 2ir/3> = 0 10 Quand (N2 + p-1) = 3,6,9,12 .... . .on a S{1+2 cos (N2+ p - 1) 2ir/3}= 3 ....(XII) Sixième terme : Quand (N2~P+ ^ 3,6,9,12 .... on a : {1+2 cos (Ng- P + 1)2ïï/3} - 0 Quand (Ng- p+ D = 3a6,9,12 .... on a 1 {1+2 cos (M2~ p+ l)2ir/3} = 3 (XIII) Septième terme Quand s(N2~ ;p - 1) H 3,6,9,12 ... on a : {1+2 cos (N2~ p - l)2ir/3) = 0 Quand (N2- p - 1) = 3.6,9,12 .... on a ; ^+2 cQS p_ x)2ty/3} =3 (XIV) Selon un aspect de la présente invention où une tension est utilisée comme signal de détection correspondant au déplacement (O^g———- O^q) du rotor 20, les termes 1 à 3 de la tension e^ exprimée par 1'équation (VII) représentent une tension de signal en l'absence de déplacement excentré du rotor 20 et, comme cette tension de signal correspond 2Q à un bruit résiduel, il serait souhaitable qu'elle soit nulle. Dans le mode de réalisation principal de l'invention, l'appareil électrique rotatif à courant alternatif a un nombre de pSles qui n'est pas un multiple de trois, à savoir p =3,6,9, 12... et par conséquent, d'après l'équation (VIII), le premier __ terme de la tension er, est nul. 3 !? ïï En outre, comme le logarithme polaire arbitraire satisfait p ^ 3,6,9312.09 la tension e^ dans les second et troisième termes est nulle. Dans' ce cas, on comprendra que le nombre de rainures ou encoches Ng du rotor satisfait ^=*3,6,9,12.0 0 9 2361627 C'est pourquoi on préfère que le nombre de rainures ou encoches du rotor soit un multiple de trois afin que l'on obtienne les meilleures performances de mesure en ce qui concerne le bruit résiduel. 5 Les termes quatrième à septième de la tension e^ sont les tensions qui correspondent au déplacement (O-^g ■ ■ C^q) • Toutefois, compte tenu des équations XI à XIV, lorsque le nombre de rainures ou encoches du rotor est un multiple de trois, tin des quatrième et cinquième termes reste nul et un des sixième 10 et septième termes reste nul tandis que lorsque le nombre de rainures ou encoches du rotor n'est pas un multiple de 3 les termes quatrième à septième, à l'exception de l'un d'eux , restent nuls. Par conséquent, on comprendra également que lorsque le 15 déplacement du rotor a lieu, on puisse réellement obtenir la tension de signal correspondante. En outre, on va décrire ci-après de façon plus complète la relation entre la direction excentrée 0 du rotor 20 et la tension de signal. 20 Comme il est évident d'après l'équation VII exprimant la tension e^ , la direction excentrée 0 n'apparaît que comme une variation de l'angle de phase de la tension de signal et est entièrement indépendante de 1'amplitude de la tension. La tension induite totale des trois bobines de détec-25 tion est indiquée par un voltmètre ordinaire à courant alternatif, par exemple un voltmètre 35 du type à redresseur, de-sorte que les valeurs indiquées ne varient uniquement qu'en réponse au déplacement (Ois 0g0) du rotor 20 et, grâce à cette variation, l'usure du palier peut être mesurée. 30 La figure 2 montre les courbes caractéristiques de dé placement du rotor et la.: tension mesurée obtenue à l'aide d'un mode de réalisation de la présente invention. La courbe 36 est obtenue dans un fonctionnement exempt de charge pour tin nombre de rainures ou encoches du rotor 35 Ng ** 33 tandis que les courbes 38 et 40 sont obtenues sans charge et à pleine charge et avec un nombre de rainures ou encoches de rotor Ng = 28 • 10 2361627 les figures 3 a 6 sont des oscillogrammes dans lesquels la référence 42 désigne une tension d'alimentation, les références 44 à 46 et 50 à (j4 désignent des tensions induites dans les bobines de détection 10, 12 et 14 les courbes 56 et 58 étant obtenues par synthèse des courbes de tension 44 à 48 et des courbes de tension 50 à 54- qui sont équivalentes à une tension d'entrée du voltmètre 35 . Sur les figures 3 à 4, le déplacement du rotor est sensiblement nul tandis que sur les figures 5 et 6, le déplacement est d'environ 0,85 mû » D'après la description qui précède, on comprendra que le détecteur d'usure de palier selon la présente invention peut non seulement être appliqué aux appareils électriques rotatifs ordinaires présentant un jeu radial mais égale- ç ment aux appareils électriques rotatifs présentant un jeu • axial, bien que ce dernier type d'appareil soit préféré du point de vue pratique pour mesurer line augmentation et une diminution de la longueur du jeu résultant de l'usure du palier de butée. Si on considère la tension de signal obtenue dans le cas de l'appareil électrique rotatif mentionné ci-dessus en liaison avec l'équation (VII), il apparaît qu'il .serait plus facile de mesurer la tension de signal (des premier et second termes) engendrée par le déplacement par rapport à la longueur moyenne du jeu que de mesurer la tension de signal engendré par la disproportion de la longueur du jeu. (l'est pourquoi, lorsque trois bobines de détection sont disposées dans le jeu axial de l'appareil électrique rotatif, le nombre des rainures ou encoches du rotor doit de préférence être choisi .parmi des multiples autres qu'un multiple de trois. En outre, dans l'appareil électrique rotatif à courant alternatif dont le nombre de pôle est un multiple de trois et non pas de quatre, quatre bobines détectrices sont enroulées autour du noyau en étant espacées angulairement d'environ 90° et ces quatre bobines détectrices sont reliées en série de manière que l'on obtienne la tension résultante grâce à laquelle on mesure le déplacement de l'axe du rotoi. la tension induite totale de chaque bobine peut être exprimée par les équations mentionnées ci-dessous : 11 2361627 {/-/ / K 'j'" h-■' 2CQS(N> +P ) se/} \(,VzùJ-+p(Os)t -tz} {i - ( - i;M"^ zcc$(N;-\»H }t,av{(M2flJ-io)s)t~èj} | V^y,cY/\Z, -p t-D '% } Zt (&)shj\(H(J4 dm, ft-fa-f-ûj {i + f-1 /^"Vvr^ir(\'z-n >-1) Yz }E>M>shi ffA'stû-*¥>(ùs)t- ~6} \l-+(-t) ' ^2(r€(Nz- 'o-nyy2 I / ■+ r~ '' -> ic~ (A4 ) /'z j t / M ) .Si n \(f^b}-f>U)s)t~ à?j ... (XV) 15 Quand le nombre Ng de rainures ou encoches de rotor est un nombre impair, les termes quatrième à septième ci-dessus disparaissent tous et, par conséquent, le nombre de rainures ou encoches de rotor doit, âe préférence, être choisi parmi lea nombres pairs. 20 Comme on l'a décrit de façon complète ci-dessus, tua aspect de la présente invention réside dans le fait que le rotor est déplacé par suite de l'usure du palier en engendrant un jeu déséquilibré de sorte qu'il se produit une variation notable de l'amplitude de l'onde de perméance de rainure ou encoche du 25 rotor dans le noyau du stator et, par conséquent, l'invention est caractérisée par le fait que trois ou quatre bobines de détection sont disposées dans le stator à des espaces angulaires équivalents en fonction du nombre de pôles du champ magnétique principal et une tension contenant un harmonique d'ordre supé-jq rieur d'ondulation d'encoche est induite dans chacune des bobines de datection reliées «n série de sorte que la tension induite par l'harmonique fondamental est annulée et que l'on utilise une variation de la tension des harmoniques restants d'ordre supérieur comme signal correspondant à l'usure du palier. ■z^ Selon la présente invention, l'importance du déplace ment du rotor peut être donc être mesurée parfaitement quelle que soit la direction du déplacement de l'axe du rotor. II est bien entendu que la description qui précède eT - - 5 10 12 2361627 n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention dont l'étendue est définie par les revendications ci-annexées. Par exemple, 5 "bien que l'invention ait été décrite à propos d'ian moteur électrique, elle ne différerait pas si elle était utilisée avec un générateur électrique. 13 2361627 REVENDICATIONS 1. Détecteur d'usure de palier pour un appareil électrique rotatif à courant alternatif caractérisé par le fait que trois bobines de détection sont montées, avec un décalage angu-5 laire d'environ 120° autour du noyau de 11 instrument électrique rotatif à courant alternatif comportant trois pôles dont le nombre n'est pas un multiple de-trois ; lesdites bobines de d.étection étant reliées en série de manière que l'on obtienne une tension résultante^ 10 2. Détecteur d'usure de palier pour un appareil élec trique rotatif à courant alternatif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que quatre bobines de détection sont montées ou étant décalées angulairement d'environ 90° autour du noyeu de l'appareil électrique rotatif comportant des pôles dont • 15 le nombre est un multiple de trois et non pas un multiple de quatre. 3. Détecteur d'usure de palier pour un appareil électrique rotatif à courant alternatif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que six bobines de détection sont mon- 20 tées en étant décalées angulairement d'environ 60° , autour du noyau de l'appareil électrique rotatif comportant des pôles dont le nombre n'est pas un multiple de trois. 4. Détecteur d'usure de palier pour un appareil électrique rotatif à courant alternatif suivant la revendication 1, 25 caractérisé par le fait que huit bobines de détection sont montées en étant décalées angulairement d'environ 45p» autour" du noyau de l'instrument électrique rotatif comportant des pôles dont le nombre est un multiple de trois et non pas de quatre. 5. Détecteur d'usure de palier pour tin appareil élec- 30 trique rotatif à courant alternatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit appareil électrique rotatif est un moteur électrique. 6. Détecteur d'usure de palier pour un appareil électrique rotatif à courant alternatif suivant l'une quelconque des 35 revendications 1 à caractérisé par le fait que ledit appareil rotatif est un générateur.