Brevet FR2476779A1 — publié le 19810828

-1 Perfectionnements aux coupleurs à aimants Permanents La présente invention concerne les coupleurs à aimants permanents destinés à transmettre des mouvements de rotation ou des couples entre un équipage menant et un équipage mené sensiblement coaxiaux ou bien des mouvements de translation ou des forces entre une partie menante et une partie menée à déplacements sensiblement parallèles, éventuellement à tra- vers une paroi amagnétique. On connaît déjà différents types de coupleurs dans les- quels les équipages comportent l'un et l'autre des aimants répartis suivant des surfaces cylindriques. Un premier type, dit plan, comporte des aimants généralement à aimantation axiale répartis sur deux couronnes cylindriques de même diamètre sur les deux équipages. Un second type, dit coa- xial, comporte des aimants généralement b aimantation radia- le répartis suivant deux couronnes cylindriques placées l'une autour de l'autre. On connait les avantages de tels coupleurs: ils ne con- somment pas d'énergie, autorisent des vitesses de rotation élevées, peuvent transmettre un couple à travers une paroi et fonctionnent en limiteurs de couple. En contrepartie, les coupleurs connus ont l'inconvénient de présenter une instabilité, axiale dans le cas des cou- pleurs plans et radiale dans le cas des coupleurs coaxiaux. Cette instabilité, qui se traduit par lapparition de forces importantes dès que les équipages s'écartent de leur posi- tion nominale, provoque une usure des paliers qui les portent; elle est particulièrement gênante lorsqu'une précision éle- vée de transmission angulaire est nécessaire et conduit à utiliser des roulements à billes de précision qui ne peuvent supporter que de faibles charges radiales, ou lorsqu'on uti- lise des paliers magnétiques de raideur souvent faible. L'invention vise à fournir un coupleur magnétique répon- dant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que les deux équipages restent en équilibre quasi indifférent radialement et axialement même pour des écarts notables par rapport - 2- 2476779 -2- à la position nominale et pour des couples transmis éle- vés. Dans ce but, l'invention propose un coupleur à aimants permanentsdestiné à transmettre des mouvements de rotation entre un équipage menant et un équipage mené, sensiblement coaxiaux, comportant l'un et l'autre des aimants disposés suivant des surfaces de rayon moyen dif- férent sur l'équipage menant et sur l'équipage mené, caractérisé en ce que l'un des équipages comporte deux jeux de chacun plusieurs aimants répartis autour de l'axe, les jeux-étant décalés dans le sens axial et encadrant dans le sens axial un jeu d'aimants également répartis autour de l'axe et portés par l'autre équipage, les aimants portés par l'un des équipages étant à aimantation axiale et ceux portés par l'autre équipage étant à aiman- tation radiale. Un tel coupleur, qu'on peut qualifier de coupleur à aimantation4+n quadrature,présente un équilibre quasi indifférent même pour une plage notable de décentrements et de déplacements axiaux relatifs des équipages, pour un dimensionnement approprié. Cet équilibre quasi indif- férent se conserve ou même s'améliore lorsque le coupleur transmet une charge. Le couplage'en quadrature des aimantations peut s'ef- fectuer.de facons différentes. Dans un premier mode d'exécution, les aimants correspondantsdes deux jeux portés par un même équipage sont à aimantation axiale de sens opposé, tandis que les aimants du jeu unique porté par l'autre équipage sont à aimantation radiale. Dans un autre mode d'exécution, les aimants corres- pondants des deux jeux portés par l'un des équipages sont à aimantation radiale et de sens contraire, tandis que les aimants du jeuunique porté par l'équipage restant sont à aimantation axiale dans le sens des lignes d'indu"- tion cÉéees par les deux autres aimants. Le matériau constitutif des aimants sera choisi en fonction du mode de travail des aimants. Si, en parti- culier,les aimants doivent travailler en répulsion, on utilisera des matériaux ayant un champ coercitif élevé, 3- tels que les ferrites, qui ont l'avantage d'être peu coûteuses, ou les aimants réalisés 8 bose de terres rares et de cobalt, qui ont de meilleures performances mais un prix plus elevé. 1 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de coupleurs 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 figure 1 est un schéma de principe d'un premier coupleur, représenté en coupe suivant un plan passant par son axe. La figure 2, similaire à la figure 1, montre un autre coupleur. La figure 3 est une vue en perspective avec arrachement, montrant schématiquement la disposition des aimants d'un coupleur constituant une variante de celui montré en figure 2. La figure 4 montre schématiquement une fraction du coupleur de la figure 3, vu en coupe au niveau du plan IV. Le figure 5 est un schéma de principe montrant une disposition relative d'aimants permettantd'obtenir un rendement maximum du matériau magnétique. La figure 6 est un schéma similaire à la figure 5, montrant la condition à remplir pour obtenir un équilibre indifférent lorsque les aimants utilisés ont une section droite présentant une dimension grande par rapport à l'autre. Les figures 1 et 2 montrent de façon très schéma- tique la disposition de principe des deux types de coupleurs à aimantations en quadrature à équilibre quasi indifférent. Dans le cas montré en figure 1,.l'quipage externe 10,qui peut être l'équipage menant ou l'équi- page mené, comporte une série d'aimants répartis dans le sens circonféren del de façon régulière et présentant une aimantation alternée paraIlèle à l'axe. Dans le mode de réalisation illustré, le jeu unique d'aimants portés par -4- l'équipage 10 a une aimantation qui s'inverse six fois sur la périphérie. L'équipage interne il, qui peut être l'équipage mené ou menant comporte de son côté, sur un arbre 12 -5 deux jeux d'aimants. 13 et 14 à aimantation radiale, encadrant le jeu d'aimants portés par l'équipage 10 dans le sens axial. L'aimantation de chaque jeu s'inverse sur la périphérie autant de fois que l'aimantation des aimants de l'équipage 1C. Deux aimants des jeux 13 et 14 placés face à face ont des aimantations opposés. Dans le mode de réalisation montré en figure 2, l'équipage externe lOa comprend encore un seul jeu d'aimants, mais cette fois à aimantation radiale. Au contraire l'équipage interne lla comporte, sur un arbre 12a, deux jeux d'aimants' 13a et 14a à aiman- tation axiale. Les aimantations de deux aimants apparte- nant auxjeux 13e et 14a qui se font face sont encore opposées. Les figures 1 et 2 montrent des coupleurs dans lesquels l'équipage externe 10 ou iQa porte un seul jeu d'aimant. Le mode de réalisation montré en figure 3 se différencie de celui de la figure 2 en ce que la disposition est inversée: c'est l'équipage externe lOb qui porte deux jeux d'aimants 13b et 14b, tandis que l'équipage interne llb ne porte qu'un seul jeu d'aimants. Les dimensions relatives des divers composants d'un coupleur suivant la figure 1, 2 ou 3 peuvent être déterminées par le calcul pour qu'il y ait équilibre indifférent aussi bien dans le sens axial que dans le sens radial lorsque le système est centré. Si on suppose que les deux jeux d'aimants portés par un même équipage sont identiqucs,le système est centré lorsque'les deux équipages sont coaxiaux et que le plan médian du jeu d'aimants unique de l'un des équipages coïncide avec le plan médian entre les deux jeux d'aimants de l'autre -5- équipage. L'examen du coupleur montre que l'on dispose de six va- riables indépendantes, constituées par les dimensions a, A, y et 6 de la section droite des aimants supposée rectangu- laire (figure 5) et les écartements X et Z (figures 2 et 5). Si l'on désigne par x la direction radiale, par y la direc- tion tangentielle, et par z la direction axiale, comme montré sur les figures 1 et 2, le calcul des six paramètres doit être fait pour remplir les conditions suivantes - l'équilibre doit être réalisé en position centrée, - les dérivées premières (qui représentent les forces exer- cées suivant Ox et Oz), et les dérivées secondes de l'éner- gie magnétostatique du système par rapport à Ox et Oz (qui caractérisent la stabilité ou l'instabilité) doivent être faibles ou nulles, quel que soit le couple transmis - la dérivée de cette énergie doit être aussi élevée que pos- sible par rapport à Oy, pour que le coupleur puisse exercer des forces tangentielles importantes. Le calcul fait apparaître que l'équilibre indifférent est obtenu lorsque les diagonales de la section droite du jeu unique correspondent à des diagonales de la section droite dex deux jeux, si les aimants sont à section droite carrée, comme indiqué schématiquement sur la figure 5. Cette section carrée sera généralement la plus avantageuse, car elle permet d'exercer le couple maximum à volume d'aimants déterminé. Si au contraire, des raisons particulières conduisent à utiliser des aimants à section droite allongée, comme indi- qué sur la figure 6, l'équilibre indifférent est obtenu quand les quatre angles les plus rapprochés des sections droites des aimants sont situés sur un même cercle. L'équipage externe 10 ou lOa peut être séparé de l'é- quipage interne Il ou lia par une cloison étanche 15 oul15a qui doit évidemment être en matériau amagnétique. Il est évidemment souhaitable de réduire les entre _6- fers et pour cela d'adopter des valeurs de X et de Z aussi faible que possible, ce qui impose une paroi 15 ou a mince. Les dispositions représentées schématiquement en figure 1 à 3 sont susceptibles de nombreuses réalisations pratiques. En particulier, on peut utiliser des aimants de natures très diverses. On peut par exemple, comme in- diqué sur la figure 4, constituer les aimants par des tronçons de caoutchouc magnétique, qui a l'avantage d'être facilement mis en forme mais l'inconvénient d'une aimantation relativement faible, de l'ordre de 0,22 T pour le "Ferriflex 3" qui est disponible commercialement. Ces tronçons peuvent être cintrés et placés dans des évidements ménagés à cet effet sur des couronnés en ma- tériau. 4magnétique 17 et 18. Un coupleur comportant un équipage interne de 118 mm de diamètre et un équipage externe ayant un diamètre intérieur de 122 mm, comprenant huit aimants de 9x9x35 mm a permis de transmettre un couple maximum d'environ 26 N cm et a montré l'absence dé force axiale ou radiale même lorsque les deux équipages ne sont pas parfaitement centrés. Un coupleur similaire à celui montré en figures3 et 4, mais utilisant des aimants constitués par des ferrites, permet d'exercer un couple environ trois fois plus fort. L'emploi d'aimants associant les terres rares au cobalt (samarium-cobalt notamment) permet de multiplier le couple par 15 environ. Il faut remarquer que les aimants travaillent en attraction quand le couple transmis est nul ou faible et partiellement en répulsion quand on approche du coupre maximal. Sauf dans les cas o le couple à transmettre restera tou- jours faible par rapport au couple limite, il sera donc préférable d'utiliser des matériaux magnétiques durs, c'est-à-dire ayant un champ coercitif élevé. Parmi ces matériaux, on peut citer les ferrites, mais aussi les aimants terres rares-cobalt. Il faut encore remarquer que,pour une même disposi- tion géométrique, deux configurations différentes des -7- directions d'aimantation peuvent être adoptées# ce que montre par exemple une comparaison des figures 5 et 6. Dans tous les cas, les aimants sont soumis à un champ inverse résultant du champ extérieur et de leur champ dé- magnétisant propre, qui dépend de la forme géométrique des aimants. Les directions des aimantations et.la forme géomé- trique représentées sur la figure 6 permettront d'utiliser un grand nombre de matériaux à aimants. Au contraire, la forme de la section droite représentée sur la figure 5 ren- dra nécessaire l'emploi d'aimants ferrites ou en terres rares-cobalt. Pour augmenter le couple qu'est susceptible de transmet- tre le coupleur, on peut prévoir une bague ou des bagues en'matériau ferro-magnétique (en fer doux par exemple) qui referment le flux magnétique qui n'est pas directement utile dans l'entrefer du coupleur. La présence des ces ba- gues a par contre un effet défavorable sur la stabilité, mais cet effet reste très faible si elles sont suffisam- ment loin de 1' entrefer. En conséquence, on prévoira ou non une telle bague suivant que le couple maximum ou la stabilité optimale sont recherchés. Les coupleurs qui viennent d'être décrits ajoutent, aux avantages des coupleurs à aimants permanents classiques, des avantages propres supplémentaires. L'absence d'efforts dans le sens axial et dans le sens radial réduit l'usure des pa- liers, ce qui rend le coupleur particulièrement adapté aux systèmes o une longue durée de vie sans possibilité d'inter- vention est nécessaire. Le coupleur permet de transmettre un mouvement entre deux arbres décalés. Il permet d'isoler chaque équipage des vibrations appliquées à l'autre équipage. Il peut se comporter comme un joint de cardan dans un domai- ne limité d'amplitude. Enfin, il est parfaitement adaptable à un système dans lequel les équipages sont montés dans des paliers de faible raideur, tels que les paliers magnétiques. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes par- ticuliers de réalisation qui ont été représentés -8- et décrits à titre d'exemples. En particulier, plusieurs coupleurs du genre décrit ci-dessus peuvent être associés en cascade, de façon à constituer un ensemble dans lequel l'un des équipages aura toujours un jeu d'aimants S de plus que l'autre. Il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à de telles variantes ainsi qu'à toutes autres restant dans le cadre des équivalences. -9- REVENDICATIONS 1. Coupleur à aimants permanentes destinés à transmettre des mouvements de rotation entre un équipage menant et un équipage menés, sensiblement coaxiaux, comportant l'un et l'autre des aimants disposés suivant des surfaces de rayon moyen différent sur l'équipage menant et sur l'équipage mené, caractérisé en ce que l'un des équipages comporte deux jeux de chacun plusieurs aimants répartis autour de l'axe, les jeux étant décalés dans le sens axial et encadrant dans le sens axial un jeu d'aimants également répartis autour de l'axe et portés par l'autre équipage, les aimants portés par l'un des équipages étant à aimantation axiale et ceux, portés par l'autre équipage étant à aimantation radiale. 2. Coupleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants correspondants des deux jeux portés par un même équipage sont à aimantation axiale de sens opposé, tandis que les aimants du jeu unique porté par l'autre équi- page sont à aimantation radiale dans toute section droite du coupleur. 3. Coupleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants correspondants des deux jeus portés par l'un des équipages sont à aimantation radiale et de sens contraire, tandis que les aimants du jeu unique porté par l'équipage restant sont à aimantation axiale dans le sens des lignes d'induction créées par les deux autres, dans tou- te section droite du coupleur. 4. Coupleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aimants sont de sec- tion droite approximativement carrée et sont disposés de fa- çon qu'au repos les diagonales d'un aimant du jeu unique correspondent à des diagonales des aimants appartenant aux deux jeux. 5. Coupleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux magnétique qui n'est pas directement utile dans l'entrefer du coupleur, est refermé par une ou plusieurs bagues ferromagnétiques qui peuvent éventuellement relier deux jeux d'aimants d'un même équipage. - 10 - 6. Coupleur suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les équipages sont séparés l'une de l'autre par une paroi d'étanchéité en matériau amagnétique.