Brevet FR2540191A1 — publié le 19840803

B 7032 F ATL/mtc 2540191 Nov 83 TURBOPOMPE MOLECULAIRE COMPORTANT UN MOTEUR A COURANT CONTINU PRESENTANT UNE FAIBLE INDUCTANCE ET UN DISPOSITIF DE FREINAGE ET PROCEDE POUR SON FONCTIONNEMENT L'invention concerne une turbopompe moléculaire comportant un rotor monté magnétiquement et un moteur à courant continu sans collecteur pour l'entraînement du rotor, un détecteur pour la détection d'oscillations du rotor perpendiculairement par rapport à l'axe de rotation, et un dispositif de freinage, agissant électriquement, pour le rotor. Un tel montage est décrit dans le brevet allemand 28 25 551 Dans le cas de ce montage, la stabilisation radiale a lieu au moyen de paliers magnétiques passifs qui ont cependant un effet de déstabilisation suivant la direction axiale Suivant la direction axiale le rotor est supporté par des paliers lisses mécaniques En outre, la demande de brevet allemand mise à l'inspection publique sous le n O 23 49 033 décrit une turbopompe moléculaire dont le rotor est monté sans contact aussi bien radialementqu'axialement, au moyen de paliers magnétiques. Les pompes décrites dans ces deux documents nécessitent des paliers de secours dans le cas de fortes oscillations du rotor qui peuvent être provoquées par un choc provenant de l'extérieur ou dans le cas d'une panne du système de paliers magnétiques Ceci étant, un rotor de turbopompe moléculaire qui tourne rapidement représente un dispositif d'emmagasinage d'énergie. Si dans le cas d'une perturbation, le rotor qui tourne avec la vitesse nominale est reçu par les paliers de secours, en l'absence d'une possibilité de freinage l'énergie de rotation du rotor est utilisée comme B 7032 F ATL/mtc 2540191 Nov 83 2 énergie de frottement dans les paliers de secours, ce qui conduit, en général, à une destruction de ceux-ci Pour éviter une destruction des paliers de secours, on noie la turbopompe moléculaire de gaz qui se réchauffe par frottement et, par conséquent, dissipe l'énergie de rotation. Pour le freinage de rotor on utilise dans de nombreux cas le moteur d'entraînement incorporé dans le rotor qu'on commute alors sur le mode générateur Ce procédé est très facilement utilisable dans le cas de moteurs à courant continu sans collecteur avec un rotor à aimants permanents, par branchement de résistances extérieures sur l'enroulement statorique, mais dans le cas de stators comportant un noyau en fer leur inductance élevée empêche un flux de courant suffisant et une action de freinage rapide Des moteurs à courant alternatif triphasé ne conviennent pas pour le freinage étant donné que leur action de générateur disparaît déjà dans le cas d'une courte interruption de courant. Des moteurs contenant du fer dans le stator exercent, en outre, des forces d'attraction radiale qui agissent à l'encontre des forces de stabilisation des paliers magnétiques En particulier, des moteurs à courant alternatif triphasé, qui ne disposent que d'un entrefer à air plus faible en raison du courant d'aimantation nécessaire, exercent des forces radiales importantes sur le rotor. Le problème à la base de la présente invention est de fournir une turbopompe moléculaire montée magnétiquement comportant un moteur à courant continu commuté électroniquement, qui n'exerce aucune force de déstabilisation sur le montage magnétique, qui peut être freiné de façon efficace par branchement de résistances externes sur les enroulements du moteur, et de fournir un procédé pour arrêter la pompe dans le cas de perturbations du fonctionnement, tout en ménageant le B 7032 F ATL/mtc 2540191 Nov 83 3 fonctionnement des paliers de secours. Ce problème est résolu suivant l'invention grâce au fait que l'arbre du rotor se présente sour la forme d'un arbre creux 1 dans lequel un aimant annulaire 3, magnétisé avec une polarité alternée par secteurs suivant la direction radiale, est disposé à l'intérieur d'une cloche en acier 2, incorporée dans l'arbre creux 1, qui forme, avec un arbre en acier 5 fixé dans la cloche en acier, un entrefer à air dans lequel pénètrent les enroulements d'entraînement 4 du stator sans fer du moteur. On connaît des moteurs à rotor extérieur comportant une cloche d'acier en tant que retour magnétique et support d'aimants, mais dans ces moteurs on utilise des noyaux en fer qui exercent des forces radiales de déstabilisation sur le rotor Un autre inconvénient est la formation de courants de Foucault dans le fer du stator qui diminue le rendement du moteur Dans le cas du mode de réalisation suivant l'invention du moteur d'entraînement de la turbopompe moléculaire, le stator ne comporte pas de fer et les parties en acier correspondantes dans le rotor sont parcourues uniquement par des champs magnétiques statiques Ce type de construction assure de faibles pertes, une absence de forces radiales de déstabilisation et une faible inductance des bobines. En raison du large entrefer à air, un fort aimant annulaire est nécessaire dans le moteur Un mode de construction préféré est l'assemblagepar segments de l'aimant annulaire à partir de pièces d'aimant individuelles en Sm-Co Dans le corps des enroulements du stator du moteur sont incorporées deux sondes de Hall qui détectent la position du rotor et envoient du courant aux enroulements du moteur par l'intermédiaire d'un dispositif d'évaluation électronique, à l'aide de quatre transistors de commutation. Un détecteur d'oscillations mesure l'amplitude B 7032 F ATL/mtc 2540191 Nov 83 des oscillations du rotor perpendiculairement par rapport à l'axe de rotation L'amplitude d'oscillation réelle est comparée avec une valeur maximale admissible prédéterminée dans un dispositif de surveillance électronique Lors du dépassement de cette valeur maximale, l'entraînement du moteur est mis hors circuit et des résistances de freinage sont branchées Ce circuit de freinage reste maintenu jusqu'à ce que la valeur mesurée soit revenue en deçà de l'amplitude d'oscillation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, mais non limitatif, représenté au dessin annexé, sur lequel la figure unique représente un schéma et une vue en coupe de la turbopompe moléculaire suivant l'invention. Dans un carter 20 sont logés les disques stato- riques 21 entre lesquels tourne le rotor 22 comportant les disques rotoriques Les paliers magnétiques 23 et 24 a et 24 b sont constitués par des anneaux d'aimants permanents magnétisés qui sont placés les uns auxdessus des autres avec des pôles identiques Ils stabilisent le rotor suivant la direction radiale Les anneaux rotoriques 24 b des paliers magnétiques sont logés dans l'arbre du rotor qui se présente sous la forme d'un arbre creux Les anneaux statoriques 24 a des paliers magnétiques sont supportés sur des supports solidaires du carter, concentriquement dans les anneaux rotoriques La stabilisation axiale a lieu, comme décrit dans le brevet allemand 28 25 551, au moyen d'appuis à pivot sur des butées déplaçables 25 et 26, les butées étant déplacées par des servomoteurs de manière que le rotor soit maintenu au point instable des paliers magnétiques et que, par conséquent, la force de pression des appuis à pivot sur la base ne dépasse pas une valeur déterminée. Comme-pali-ers-de secours 27, 28, on utilise des paliers à billes qui sont incorporés dans le support respectif des stators des paliers magnétiques Entre les B 7032 F AT Limtc Nov 83 5 2540191 bagues intérieures des paliers et l'arbre du rotor il existe un intervalle 29 qui permet une certaine oscillation du moteur Le moteur est logé dans l'arbre Un détecteur 11 mesure l'amplitude d'oscillation du rotor Un dispositif 12 de surveillance électronique des oscillations ouvre le relais 13 lors du dépassement de l'amplitude d'oscillation admissible et branche les résistances de freinage 14 avec les enroulements du moteur En cas de panne de courant, le relais 13 s'ouvre également et le rotor est freiné. L'unité d'entraînement est représentée dans la partie inférieure de la figure Ce faisant, l'arbre du rotor se présente sous la forme d'un arbre creux 1 Dans celui-ci, un aimant annulaire 3, magnétisé avec une polarité opposée par secteurs suivant la direction radiale, est disposé à l'intérieur d'une cloche en acier 2 logée dans l'arbre creux 1 Cet aimant annulaire forme, avec un arbre en acier 5 fixé dans la cloche en acier 2, un entrefer à air dans lequel pénètrent les enroulements d'entraînement 4, ne contenant pas de fer, du stator du moteur. B 7032 F ATL/mtc 2540191 Nov 83 6 REVENDICATIONS 1 Turbopompe moléculaire comportant un rotor monté magnétiquement et un moteur à courant continu sans collecteur pour l'entraînement du rotor, un détecteur pour la détection d'oscillations du rotor perpendiculairement par rapport à l'axe de rotation, et un dispositif de freinage, agissant électriquement, pour le rotor, caractérisée en ce que l'arbre du rotor se présente sous la forme d'un arbre creux ( 1) dans lequel un aimant annulaire ( 3), magnétisé avec une polarité alternée par secteurs suivant la direction radiale, est disposé à l'intérieur d'une cloche en acier ( 2) , incorporée dans l'arbre creux ( 1), qui forme, avec un arbre en acier ( 5), fixé dans la cloche en acier, un entrefer à air dans lequel pénètrent les enroulements d'entraînement ( 4) du stator sans fer du moteur. 2 Turbopompe suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'aimant annulaire ( 3) est assemblé à partir d'aimants individuels. 3 Turbopompe suivant les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que dans le stator du moteur sont incorporées deux sondes de Hall décalées électriquement de 90 degrés qui délivrent des signaux de position du rotor et qui alimentent alternativement les enroulements statoriques en courant, à l'aide d'un dispositif de commutation électronique. 4 Procédé pour faire fonctionner la turbopompe moléculaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude d'oscillation mesurée avec le détecteur est comparée avec une valeur maximale prédéterminée, et que lors du dépassement de celle-ci, ainsi qu'en cas de panne de courant, des résistances de freinage sont branchées avec les enroulements du moteur.