Brevet FR2524090A1 — publié le 19830930

La présente invention concerne une suspension magnétique de roue d'inertie adaptée à assurer le centrage de celle-ci par au moins deux asservissements radiaux. Une telle suspension trouve son application dans tous les domaines spatiaux ou terrestres qui font intervenir des roues de réaction ou des roues cinétiques, tels que ceux des satellites, des télécommunications, des pompes à vide, des cylindres d'imprimerie, des machines d'usinage, ou encore des systèmes à balayage optique De manière générale, l'invention s'applique à tout corps tournant par rapport à un corps fixe. Les dispositifs à moment d'inertie comportent essentiellement un stator par rapport auquel tourne à grande vitesse un rotor soutenu et maintenu coaxial avec ledit stator par des paliers Une des principales diffi- cultés rencontrées dans la conception de tels dispositifs réside dans la fiabilité exigée de la part des paliers qui doivent permettre des utilisations de longue durée. La mise au point de paliers magnétiques a permis de supprimer les frottements, donc l'usure des paliers, ainsi que de minimiser les pertes d'énergie asso- ciées à un niveau bien plus faible que ne le permettent les paliers mécaniques à roulements à billes les plus éla- borés On distingue dans les paliers magnétiques deux catégories de centreurs selon qu'ils sont passifs, cons- titués d'aimants permanents, ou actifs, lorsqu'ils compor- tent des bobines électriques coopérant avec des pièces ferromagnétiques On appelle ces derniers des actuateurs. Les recherches les plus récentes ont visé à mettre au point des actuateurs de plus en plus simples, donc fiables, parallèlement au souci de réduire au mini- mum la masse du stator, au profit du moment d'inertie du rotor, de manière à obtenir autour de l'axe de rotation un moment d'inertie le plus élevé possible pour une masse totale donnée (rotor + stator). Divers dispositifs à moment d'inertie ont ainsi été proposés, mettant en oeuvre par exemple des moyens passifs de centrage radial et des moyens actifs de centrage axial Ainsi, le brevet français FR-74 00190 complété par le Certificat d'Addition FR-74 40556, déposés au nom de la Demanderesse, décrit un ensemble très complet de moyens magnétiques de centrage, d'amortissement et d'en- traînement, la commande de l'actuateur de centrage axial étant assurée par un détecteur de vitesse La Demanderesse a également déposé le brevet FR-77 07685 qui décrit un dispositif à moment d'inertie doté de moyens magnétiques améliorés, selon une structure simplifiée qui conduit à une plus grande fiabilité Il y est succinctement fait mention d'un actuateur de centrage axial, situé sensiblement à égale distance des deux extrémités de l'axe de rotation du rotor par rapport au stator; il comporte un aimant annulaire d'aimantation radiale porté par le rotor dont le champ magnétique se referme vers les extrémités dudit axe par l'intermédiaire de couronnes ferromagnétiques portées par le stator, garnies à l'intérieur de bobines électriques concentriques La mise en oeuvre de ces der- nières est également commandée par un détecteur de vitesse axiale Dans ces divers dispositifs plusieurs moyens magnétiques sont nécessaires pour assurer les divers cen- trages. Par ailleurs, le brevet US NO 4 077 678 décrit un dispositif d'accumulation d'énergie avec roue d'inertie dont la suspension de type magnétique regroupe en les combinant des moyens passifs de centrage axial et des moyens actifs de centrage radial Mais ces moyens sont tous portés par le stator, et leur masse ne concourre donc pas au moment cinétique du rotor, ce qui est défavorable en particulier dans le cadre des activités spatiales o l'on cherche à optimiser l'utilisation de la masse totale du dispositif Par contre, le brevet US N O 4 043 614 décrit un dispositif o le stator comporte un disque épais per- pendiculaire à l'axe de rotation aimanté axialement en- serré entre deux disques polaires de diamètre légèrement supérieur de manière à pouvoir recevoir sur leur périphérie deux paires de bobines électriques diamétralement opposées. Le rotor est situé autour du stator; il comporte une couronne aimantée axialement en sens inverse du disque et enserrée entre deux anneaux polaires plats situés, en position d'équilibre, en regard desdits disques po- laires Le principal inconvénient de ce dispositif est lié à l'absence de trajet perméable au flux magnétique entre les pièces polaires portant les bobinages, ce qui limite sensiblement l'efficacité de l'actuateur Cette difficulté est surmontée dans le brevet US N O 4 285 553 qui propose un dispositif dans lequel le stator ne comporte plus de pièce aimantée, les disques polaires étant rempla- cés par des anneaux polaires internes plats reliés par une paroi ferromagnétique cylindrique Les bobines électri- ques sont placées de préférence sur cette dernière paroi cylindrique; cela a pour effet d'éviter d'avoir à prévoir des encoches sur les anneaux polaires internes pour fixer les bobines qui conduisent à la génération de courants de Foucault Selon ce dispositif, les lignes d'induction créées par une paire de bobines diamétralement opposées alimentées simultanément circulent dans les anneaux po- laires du rotor sur un demi-périmètre et se referment par la paroi cylindrique du stator en deux zones diamé- tralement opposées en regard desdites bobines Ces lignes ne rencontrent donc qu'une réluctance correspondant à quatre fois l'entrefer entre pièces polaires, sans rencon- trer la réluctance de la couronne aimantée du rotor. Dans la pratique, ce dispositif donne lieu à des pertes d'induction non négligeables D'une part, certaines lignes d'induction se referment après seulement un quart de périmètre en traversant les entrefers au niveau de la paire complémentaire de bobines, ce qui conduit à des interactions parasites entre les deux asservissements radiaux correspondants Par ailleurs, des lignes d'in- duction se referment sensiblement tangentiellement à la couronne aimantée du rotor, causant des fuites d'autant plus importantes que la longueur du trajet des lignes d'induction le long des anneaux polaires est important. La présente invention a pour objet de réduire ces fuites et propose dans ce but un dispositif de suspension magnétique pour roue d'inertie ou corps tournant dans laquelle un stator et un rotor sont maintenus coaxiaux selon un axe commun bien que mécaniquement libres l'un par rapport à l'autre, du genre comportant au moins un palier magnétique, caractérisé en ce que ledit palier magnétique comporte, portées par le stator selon des - axes coaxiaux différents, au moins deux paires de secteurs ferromagnétiques identiques diamétralement opposés par rapport à l'axe communlesdits secteurs comportant des pièces polaires annulaires discrètes inférieure et supé- rieure solidaires de portions de fond cylindrique, l'un au moins des secteurs de chaque paire étant muni d'une bobine, lesdits secteurs étant adaptés à coopérer avec une couronne aimantée axialement portée par le rotor et enserrée entre deux flasques annulaires ferromagnétiques inférieur et supérieur, ainsi qu'avec une couronne ferro- magnétique continue de section en U, portée par le stator à l'opposé desdits secteurs par rapport à la couronne aimantée, comportant des anneaux polaires inférieur et supérieur solidaires d'un fond cylindrique, les pièces et anneaux polaires des secteurs et de la couronne ferro- magnétique étant adaptés à refermer sur elles-mêmes les lignes d'induction émises par la couronne aimantée de part et d'autre de ladite couronne. Dans un tel dispositif, ne rencontrant pour l'essentiel que la réluctance de quatre entrefers, les lignes d'induction ont un trajet très court situé dans un plan contenant l'axe de rotation La faible longueur de ce trajet pallie un des types de fuites précité. Par ailleurs, aucune interaction parasite n'est à craindre entre les paires de secteurs associées à des axes diffé- rents Cette minimisation des fuites a pour effet d'amé- liorer l'efficacité des bobines et d'en réduire la consommation d'énergie. On retrouve dans le dispositif selon l'invention des caractéristiques déjà décrites dans certains des brevets précités On retrouve ainsi le principe d'une mise en oeuvre sélective de plusieurs paires de bobines couplées selon deux axes perpendiculaires pour le centrage radial d'un rotor, tandis que le centrage axial de ce dernier est assuré par des moyens passifs uniquement portés par le rotor; cela apparaît dans le brevet US No 4 285 553. Par ailleurs, l'idée d'intercaler une couronne aimantée, portée par un rotor, entre deux circuits ferromagnétiques garnis de bobines adaptés chacun à refermer les lignes d'induction, portés par le stator, apparaît déjà dans le brevet FR-77 07685 de la Demanderesse Il s'agit cepen- dant dans ce dispositif d'un centrage axial, d'essence bien différente du centrage radial dont se préoccupe la présente demande, puisque le centrage axial s'effectue selon une direction unique sensiblement fixe par rapport au rotor, tandis que le centrage radial s'effectue selon deux directions qui ne sont pas fixes par rapport au rotor. Le nombre des bobines est de ce fait multiplié au moins par deux, leur forme est modifiée, et leur mise en oeuvre est considérablement plus délicate à maîtriser que pour le centrage axial L'adaptation du dispositif précité en vue d'assurer un centrage radial a donc nécessité une refonte complète et une sensible amélioration de sa mise en oeuvre Cela a permis d'obtenir, de manière surprenante, des performances nettement supérieures à celles auxquelles conduisaient chacun des dispositifs précités. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention ressortent de la description qui suit d'un exemple de mode de réalisation d'un dispositif de suspension ma- gnétique selon l'invention, en regard des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective avec arrachements d'un ensemblerotor-stator équipé d'un dispo- sitif de suspension magnétique selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan dudit dis- positif; la figure 3 est une coupe dudit dispositif selon la ligne IIIIII de la figure 2 les figures 4 et 5 sont des vues schématiques des lignes d'induction produites dans la partie gauche par la couronne aimantée et par une bobine respective- ment; la figure 6 est une vue en coupe de la partie gauche d'une variante de réalisation la figure 7 est une vue en coupe diamétrale d'un détecteur de vitesse radiale; la figure 8 est une vue en perspective d'une portion de moteur électromagnétique. Dans l'exemple de réalisation d'une suspension magnétique selon l'invention illustrée par les figures 1 à 5, un système à moment d'inertie 1 comprend un stator 2 d'axe Z et un rotor 3 central maintenu coaxial et méca- niquement libre vis-à-vis dudit stator par un palier magnétique désigné 4 dans son ensemble Le stator 2 comporte un carter 21 fermé en partie par un couvercle 22 auquel il est fixé par des vis 23 Le palier magnétique 4 comporte, du côté stator, fixée au couvercle 22 par des vis 24, une couronne ferromagnétique 5 intérieure continue de section en U et dont la concavité est orientée radialement vers l'extérieur Cette couronne ferromagnétique comporte deux parois latérales planes, ou anneaux polaires internes inférieur 6 a et supérieur 6 b, solidaires par leurs bords internes d'un fond cylindrique 7 Le palier magnétique 4 comporte également une couronne 31 de section en I reliée au rotor 3 par une corniche 32; cette cou- ronne 31 comporte une couronne cylindrique d'aimants, ou couronne aimantée 8,dont l'aimantation axiale est parallèle à l'axe Z, ainsi que l'indiquent les flèches F Cette couronne aimantée 8 est enserrée entre deux flas- ques ferromagnétiques annulaires inférieur 9 a et supérieur 9 b coaxiaux avec ladite couronne aimantée, selon l'axe Z en position normale du rotor par rapport au stator La hauteur de la couronne aimantée 8 est de préférence égale à celle du fond cylindrique 7 de manière à ce que les anneaux polaires internes 6 et les flasques 9 soient coplanaires en position normale; la largeur de l'entre- fer entre lesdits flasques et lesdits anneaux polaires vaut alors e. Selon l'invention et dans l'exemple de réalisa- tion décrit, le palier magnétique 4 comporte de plus, sur le stator, fixés au couvercle 22 par des vis 25, quatre secteurs ferromagnétiques lia, 11 b, 11 c et 11 d, formant une couronne ferromagnétique externe discrète coplanaire avec la couronne ferromagnétique interne 5; elle admet une section en U dont la concavité est orientée radiale- ment vers l'intérieur Ces secteurs sont régulièrement espacés, diamétralement opposés deux par deux selon deux axes X et Y formant avec l'axe Z un trièdre rectangle. Ils admettent avantageusement un plan de symétrie conte- nant l'axe Z Ils sont constitués de parois latérales annulaires planes, ou pièces polaires externes discrètes inférieure 16 a et supérieure 16 b reliées par des portions de fond cylindrique 14 a, 14 b, 14 c, 14 d; ces pièces po- laires externes 16 recouvrent avantageusement des secteurs angulaires plus importants que ceux couverts par lesdites portions de fond 14, de manière à ne ménager qu'un faible écartement entre les pièces polaires externes de deux secteurs magnétiques adjacents En position normale d'équilibre du rotor par rapport au stator, les pièces polaires externes définissent avec les flasques 9 un entrefer de largeur e Une bobine électrique 18 a, 18 b, 18 c ou 18 d est disposée autour de chaque portion de fonds 14 Les bobines disposées sur deux secteurs ferro- magnétiques diamétralement opposés sont avantageusement couplées, en série ou en parallèle, de manière à être alimentées simultanément; elles forment avec lesdits secteurs un actuateur radial Le palier magnétique 4 est donc constitué de deux actuacteurs radiaux agissant selon deux axes d'asservissement perpendiculaires. Les flasques 9, les anneaux polaires internes 6 et les pièces polaires externes 16 admettent avantageu- sement une même épaisseur d de manière à éviter toute distorsion des lignes d'induction à la traversée des entrefers qui les séparent. La couronne aimantée 8 provoque un flux d'in- duction permanent qui se referme à la fois à travers la couronne ferromagnétique interne 5 et par les secteurs ferromagnétiques 11, d'o l'intérêt que les pièces polaires de ces secteurs constituent une couronne ferromagnétique externe presque complète. De par la géométrie du palier magnétique 4, un décalage du rotor par rapport au stator sur une distance faible par rapport à l'épaisseur d provoque, grâce à la couronne aimantée 8, la naissance d'une force de rappel axiale sensiblement proportionnelle audit décalage axial, 1 o en vue de ramener à sa valeur maximale l'induction dans l'entrefer séparant les flasques 9 des pièces polaires internes 6 et externes 16 Le palier magnétique 4 assure donc, de par sa raideur axiale, de façon passive, le centrage axial du rotor par rapport au stator. La position normale d'équilibre précitée, cor- respondant à l'égalité des entrefers de part et d'autre des flasques 9 correspond à un équilibre instable En effet, les forces d'attraction exercées sur la couronne aimantée 8 par un des anneaux polaires internes ou une des pièces polaires externes sont d'autant plus fortes que ladite couronne en est proche; de la sorte, un décalage selon une direction donnée de l'axe du rotor par rapport à l'axe Z du stator provoque la naissance de forces magnétiques qui tendent à accroître ce décalage. On appelle raideur radiale du palier magnétique le rapport d'une force magnétique exercée sur le rotor en réponse à un décalage, sur la valeur dudit décalage. Le retour du rotor vers sa position d'équilibre instable nécessite la mise en oeuvre des actuateurs. L'efficacité de chaque actuateur est donnée par la valeur de la force de rappel qu'il applique au rotor, ramenée à l'intensité qui traverse ses b-obirles. L'efficacité d'un actuateur selon l'invention est sensiblement améliorée par rapport aux actuateurs déjà existants en raison de la faible réluctance opposée aux forces magnétomotrices provoquées par les bobines. La conception d'un actuateur selon l'invention permet par ailleurs de supprimer toute encoche sur la couronne ferromagnétique interne 5 qui pourrait provoquer des pertes d'énergie par création de courants de Foucault. Or, de telles encoches sont nécessaires dans les actuateurs selon les brevets précités On peut bien sûr les conserver et placer des paires de bobines internes 20, comme indiqué dans le brevet US No 4 285 553, selon les mêmes orienta- tions angulaires que les bobines 18 des secteurs 11 La figure 6 montre ainsi la section d'un palier magnétique dont l'efficacité est encore améliorée, dans la mesure o les bobines 18 et 20 se faisant face peuvent avantageu- sement être couplées du point de vue alimentation. La figure 1 présente un palier magnétique 4 comportant deux actuateurs radiaux selon l'invention. Il est adapté à rattraper n'importe quel jeu radial du rotor par rapport au stator On peut avantageusement dans certains cas prévoir des actuateurs radiaux en nombre supérieur, régulièrement répartis du point de vue angu- laires, de manière à affiner et à simplifier les opérations de recentrage On peut également prévoir un système de suspension comprenant plusieurs paliers magnétiques pour assurer la suspension d'un rotor particulièrement massif, tournant à très grande vitesse, ou très allongé dans le sens de son axe de rotation Comme cela a déjà été mentionné un actuateur radial peut ne comporter qu'une seule bobine suivant son axe. La commande desdites bobines 18, et éventuellement , est assurée par une électronique d'asservissement utilisant, soit un capteur de position sans contact d'un type connu, soit un détecteur de vitesse radiale dans la direction concernée,avantageusement réalisé selon la description qui en est faite ci-après Dans ce dernier cas, le schéma du circuit de commande desdites bobines s'en trouve sensiblement simplifié, ainsi que cela est déjà indiqué dans le brevet FR-77 07685 La figure 7 pré- sente un exemple de détecteur de vitesse tel que celui désigné par la référence 40 sur la figure 1 Il existe en fait autant de détecteurs de vitesses qu'il y a d'actuateurs radiaux Chaque détecteur de vitesse radiale est constitué de deux bobines électriques 41 et 42 couplées, situées sur des armatures circonférentielles en U 43 et 44 portées par le stator et opposées selon un diamètre parallèle à celui de l'actuateur à commander. Ces armatures coopèrent avec des pièces polaires 45 a, b, 46 a, 46 b en arc de cercle, solidaires du rotor 3, enserrant des portions cylindriques 47 et 48 dont les aimantations permanentes sont axiales dans le même sens. Aux bornes A et B du circuit commun des deux bobines 41 et 42 apparaît une tension électrique proportionnelle à la vitesse radiale selon le diamètre de référence en raison des variations de flux dans lesdits bobines qu'in- duisent les variations des entrefers e 1 et e 2 * Cette ten- sion est aisément utilisable pour la commande de l'actua- teur associé à ce détecteur de vitesse radiale. Dans le mode de réalisation considéré, le capteur de vitesse décrit ci-dessus peut être remplacé, en conser- vant les mêmes avantages par tout autre capteur de vitesse ne comportant pas de capteur de position. L'entraînement du rotor par rapport au stator s'effectue par n'importe quel moyen classique et connu. Il peut s'agir par exemple d'un moteur électromagnétique de type "sans fer" ou de type galvanométrique, tel que celui schématisé sous la référence 50 dans la figure 1 et illustré par la figure 8 Un tel moteur comporte sur le rotor deux couronnes aimantées 51 et 52 constituées de barreaux axiaux 53 d'aimantation radiale refermée par des culasses ferromagnétiques 51 ' et 52 ' Le sens d'ai- mantation est inversé au passage d'un barreau à son voisin. Les barreaux en regard sur les couronnes 51 et 52 ont des aimantations parallèles de même sens Chaque groupe de quatre barreaux voisins ct Crée a-ns in czcu t_ d'induction entre les couronnes 51 et 52 Entre ces cou- ronnes sont disposées des bobines 55 portées par le stator faisant partie d'un bobinage triphasé ou multiphasé dont l'alimentation est effectuée à partir d'une source de courant continu Le courant circulant dans ces bobines interfère avec l'induction créée dans les barreaux 53, ce qui provoque de manière connue un mouvement angulaire du rotor par rapport au stator Le sens du courant dans chacune des phases est déterminé par un jeu de commuta- teurs commandés par des détecteurs de rotation. Il est à noter que les modes de réalisation précédemment décrits conduisent à une utilisation optimale de la masse du système puisque toutes les pièces aimantées lourdes sont portées par le rotor. L'invention n'a été décrite qu'à titre d'exemple. Elle comprend évidemment le cas d'actuateurs radiaux formés par une couronne ferromagnétique continue externe et des secteurs ferromagnétiques internes. Il est bien entendu que la présente invention nia été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter des équivalences dans ses éléments constitutifs sans, pour autant, sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de suspension magnétique pour roue d'inertie ou corps tournant dans laquelle un stator et un rotor sont maintenus coaxiaux selon un axe commun bien que mécaniquement libres l'un par rapport à l'autre, du genre comportant au moins un palier magnétique, caracté- risé en ce que ledit palier magnétique comporte, portées par le stator selon des axes radiaux différents, au moins deux paires de secteurs ferromagnétiques ( 11) identiques diamétralement opposés par rapport à l'axe commun, les- dits secteurs comportant des pièces polaires annulaires discrètes inférieure ( 16 a) et supérieure ( 16 b) solidaires de portions de fond cylindrique ( 14), l'un au moins des secteurs de chaque paire étant muni d'une bobine ( 18), lesdits secteurs étant adaptés à coopérer avec une couronne aimantée axialement ( 8) portée par le rotor, enserrée entre deux flasques annulaires ferromagnétiques inférieur ( 9 a) et supérieur ( 9 b), ainsi qu'avec une couronne ferro- magnétique continue ( 5) de section en U, portée par le stator à l'opposé desdits secteurs par rapport à la cou- ronne aimantée ( 8), comportant des anneaux polaires infé- rieur ( 6 a) et supérieur ( 6 b) solidaires d'un fond cylin- drique ( 7), les pièces et anneaux polaires des secteurs et de la couronne ferromagnétique étant adaptés à refermer sur elles-mêmes les lignes d'induction émises par la cou- ronne aimantée ( 8) de part et d'autre de ladite couronne. 2 Dispositif à suspension magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque secteur ( 11) porte une bobine ( 18). 3 Dispositif de suspension magnétique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les pièces polaires ( 6, 16) et les flasques (a) sont de même épaisseur et sont coplanaires en position d'équilibre du rotor par rapport au stator. 4 Dispositif de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces polaires ( 16) des secteurs ( 11) couvrent des secteurs angulaires égaux entre eux, mais supérieurs à ceux couverts par les portions de fond ( 14) correspondant auxdits secteurs. Dispositif de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendicationsi à 4, caractérisé en ce que les pièces polaires ( 16) des paires de secteurs ( 11) présentent entre eux un faible écartement. 6 Dispositif de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux paires de secteurs disposés selon deux axes perpendiculaires. 7 Dispositif de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couronne ferromagnétique continue ( 5) porte des paires de bobines ( 20) en nombre égal à celui des paires de secteurs, couplées avec les bobines desdits secteurs, disposées selon les mêmes axes radiaux. 8 Système de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les bobines ( 18) des paires de secteurs opposés ( 11) sont alimentées en fonction de signaux issus de détecteurs de vitesse ( 40) sensibles aux vitesses de déplacement radial du rotor par rapport au stator selon les axes ra- diaux associés. 9 Système de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les'bobines ( 18) des paires de secteurs opposés ( 11) sont alimentées en fonction de signaux issus de détecteurs de position sensibles à la position du rotor par rapport au stator selon les directions considérées. 10 Système de suspension magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couronne ferromagnétique continue ( 7 est situé à l'intérieur de la couronne aimantée ( 5 j, tandis que les secteurs sont situés à l'extérieur.