Brevet FR2536138A1 — publié le 19840518

La présente invention concerne un dispositif à palier magnétique du type commandé qui s'oppose aux effets résultant du déséquilibre d'un corps tournant. Un palier magnétique est un dispositif qui supporte un corps tournant en utitisant l'énergie magnétique Ce type de palier a été étudié récemment du fait de ses excellentes caractéristiques, consistant dans l'absence d'usure et de fatigue On utilise par exemple un palier magnétique pour une pompe turbomoléculaire; 9 un séparateur centrifuge, une broche d'usinage, etc. Du fait que le corps tournant est utilisé en tant qu'élément du palier magnétique, lorsque le corps tournant n'est pas équilibré il provoque un tournoiement important et entraîne les défauts suivants: ( 1) Augmentation de l'oscillation et du bruit. ( 2) Augmentation de la perte d'énergie électrique, à cause de l'augmentation du courant qui doit être appliqué à la bobine électromagnétique, du fait de l'augmentation du tournoiement. Il en résulte que le circuit d'alimentation électri- que devient un circuit de grande taille dans le dispositif à palier magnétique du type commandé. ( 3) Diminution des performances d'usinage, à cause d'une erreur de rotation due à un déséquilibre produit par l'outil utilisé, lorsqu'on emploie un palier magnétique pour une broche d'usinage. ( 4) L'opération de correction de l'état de déséqui- libre prend du temps. L'invention a pour but de procurer un dispositif à palier magnétique du type commandé qui atténue un mouvement de tournoiement dû au déséquilibre d'un corps tournant supporté par un palier magnétique du type commandé L'inven- tion est caractérisée par l'utilisation d'un compensateur de déséquilibre statique et/ou d'un compensateur de déséquilibre dynamique, dans un dispositif à palier magnétique à direction radiale, dans le but de diminuer la puissance de tournoie- ment qui résulte de l'état de déséquilibre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective montrant la structure de principe du palier magnétique du type commandé, La figure 2 est un schéma dé circuit du dispositif à palier magnétique de type commandé; La figure 3 est un schéma de circuit de compensa- teurs de déséquilibre statique/dynamique; La figure 4 est un schéma de circuit du dispositif à palier magnétique du type commandé, dans lequel on prend en considération un effet gyroscopique; La figure 5 est un schéma de circuit du compensa- teur de déséquilibre dynamique dans lequel on prend en consi- dération un effet gyroscopique; La figure 6 est un graphique explicatif comparant des signaux de tournoiement; et La figure 7 est un graphique explicatif comparant des figures de Lïssajous. Sur la figure 1, qui est une vue en perspective montrant la structure de principe d'un palier magnétique du type commandé, z 1 et z 2 désignent une paire de bobines desti- nées à détecter la position axiale, qui sont capables de détecter la position du corps tournant 1 dans la direction axiale Bien que le dispositif de commande ne soit pas repré- senté, un signal électrique indiquant la position axiale détectée par z 1, z 2 attaque un amplificateur de puissance par l'intermédiaire d'un circuit de compensation, des bobines d'électro-aimants C 1 et C 2 sont excitées et le corps tournant 1 est ainsi supporté de façon magnétique afin de positionner ce corps à la position axiale déterminée. Sur la figure 2, la référence 2 désigne des addi- tionneurs pour les paires de bobines xl, x 1 et x 2, x 2 ' des- tinées à détecter la position en direction radiale, la réfé- rence 3 désigne des additionneurs destinés à additionner les signaux de sortie des additionneurs 2, et leurs signaux de sortie représentent un mouvement de translation dans la direction de l'axe X Les signaux de sortie des additionneurs 3 sont respectivement appliqués à un circuit destiné à com- penser l'avance de phase et à un circuit de compensation différentielle proportionnelle, 4, et les signaux de sortie. attaquent des amplificateurs de puissance 10 par l'intermé- diaire d'additionneurs 7, 8, 9 Ceci a pour effet d'exciter des bobines électromagnétiques Al,k A 1 et A 2, A 2 ' Lorsque le signal de sortie d'un inverseur 5 est additionné par des additionneurs 6 au signal de sortie des additionneurs 2 pour xl et x 1 ', le résultat constitue une composante de mouvement de rotation autour de l'axe Y Ce signal est appliqué à un circuit de compensation du type à large bande pour compenser l'avance de phase, ou à un circuit de compensation différen- tielle proportionnelle 11, et attaque les amplificateurs de puissance 10 par l'intermédiaire d'additionneurs 8, 9, afin d'exciter les bobines électromagnétiques A 1 ou A 1 ' Le signal de sortie de l'additionneur 12 attaque les amplificateurs de puissance 10 par l'intermédiaire d'un inverseur 13 et de l'additionneur 9, pour exciter les bobines électromagnétiques A 2 ou A 2 Ainsi, pour le corps en rotation 1, le mouvement de translation dans la direction de l'axe X et le mouvement de rotation autour de l'axe Y sont restreints On peut aisément comprendre que le mouvement de translation dans la direction de l'axe Y et le mouvement de rotation autour de l'axe X sont également restreints d'une manière similaire à celle décrite ci-dessus. Le but de l'invention est d'atténuer la vibration de déséquilibre statique due à l'excentricité du corps tour- nant 1 et/ou la vibration de déséquilibre dynamique due à l'écart angulaire entre l'axe d'inertie principal et l'axe 2536 138 de rotation La caractéristique de l'invention consiste en ce que le dispositif de commande du palier magnétique dans la direction radiale comporte le compensateur de déséquilibre statique 14 et/ou le compensateur de déséquilibre dynamique 15 et le détecteur de vitesse de rotation 16, connecté aux éléments 14 et 15, qui stabilisent l'opération de support magnétique décrite ci-dessus. La figure 3 montre un schéma du circuit du compen- sateur de déséquilibre statique 14 et du compensateur de déséquilibre dynamique 15 Sur la figure 3, les références 17, 18, 19 désignent des compensateurs proportionnels, la référence 20 désigne un compensateur différentiel, la réfé- rence 21 désigne un intégrateur, la référence 22 désigne un additionneur, la référence 23 désigne un multiplicateur, la référence 24 désigne un additionneur et les références 25 et 26 désignent des inverseurs Une boucle fermée croisée qui est formée par l'intégrateur 21, l'additionneur 22, le multi- plicateur 23 et l'inverseur 26, produit un signal électrique qui oscille en synchronisme avec le mouvement de rotation du corps tournant, avec la vitesse angulaire W qui est indiquée par le détecteur de vitesse de rotation 16. On peut régler l'amplitude et la phase du signal électrique au moyen des compensateurs proportionnels 17, 18 et 19, du compensateur différentiel 20 et de l'inverseur 25. Ainsi, lorsque le compensateur de déséquilibre statique 14 et le compensateur de déséquilibre dynamique 15 sont connec- tés de la manière représentée sur la figure 2, la différence d'amplitude et de phase entre les signaux de synchronisation dans ces compensateurs de déséquilibre et la puissance de tournoiement périodique qui est due à l'état de déséquilibre peut être compensée par le signal de sortie de détection de position, sur la base de la fonction du système de correction que forment les compensateurs proportionnels 17, 18 et 19, le compensateur différentiel 20 et l'inverseur 25 On appelle ici signal de sortie de détection de position le signal de sortie de l'additionneur 3, indiquant la composante de mouve- ment de translation du corps tournant 1 dans le cas du com- pensateur de déséquilibre statique 14, et le signal de sortie de l'additionneur 6 indiquant la composante de mouvement de rotation autour de l'axe X et de l'axe Y dans le cas du com- pensateur de déséquilibre dynamique 15 Lorsque le courant d'excitation des bobines électromagnétiques est commandé con- formément aux signaux de sortie de ces compensateurs de désé- quilibre 14 et 15, on peut s'opposer au tournoiement du corps tournant 1 qui est produit par le déséquilibre, du fait qu'une force destinée à s'opposer à l'effet du déséquilibre est appliquée au corps tournant 1. La figure 4 montre un dispositif à palier magnéti- que à direction radiale au moment de la compensation de ltéquilibre, dans le cas o la compensation en réaction croi- sée est appliquée dans le but de réduire rapidement la pré- cession et la nutation produites par un effet gyroscopique, lorsqu'on s'oppose au mouvement de rotation du corps tournant 1 autour de l'axe X et de l'axe Y Sur cette figure, un com- pensateur proportionnel 27 et un inverseur 28 sont ajoutés en tant que compensateurs de réaction croisée, pour tenir compte de l'effet gyroscopique du corps tournant On peut trouver dans la demande de brevet JA 180712/81 une description détaillée concernant le principe et l'effet de la compensa- tion par réaction croisée La figure 5 montre la structure d'un compensateur de déséquilibre dynamique 29 avec compensa- tion par réaction croisée. Un compensateur proportionnel 30 et un inverseur 31 sont ainsi connectés de façon croisée au compensateur de déséquilibre dynamique 15 représenté sur la figure 3, sous l'effet de la compensation par réaction croisée Le compensa- teur proportionnel 30 et l'inverseur 31, associés aux compen- sateurs proportionnels 17, 18 et 19, au compensateur diffé- rentiel 20 et à l'inverseur 25, fonctionnent comme le système de correction qui est représenté sur la figure 3 Dans le com- pensateur de déséquilibre dynamique 29, un signal oscillant de façon périodique en synchronisme avec le mouvement de rotation du corps tournant est généré sur la base du signal de -sortie du détecteur de rotation 16, par l'utilisation de deux intégrateurs 21, de deux additionneurs 22, de deux mul- tiplicateurs 13 et d'un inverseur 26 L'amplitude et la pha- se du signal sont corrigées par le système de correction ci-dessus de façon à coïncider avec celles du moment périodi- que agissant sur le corps tournant à cause du déséquilibre dynamique. Le signal de correction est produit par l'utilisa- tion des compensateurs proportionnels 17, 18, 19 et 30, du compensateur différentiel 20 et des inverseurs 25, 31, sur la base du signal de sortie de détection de position, c'est-à- dire du signal de sortie de l'additionneur 6 Lorsque le courant d'excitation de la bobine électromagnétique est com- mandé sous la dépendance du signal de sortie du compensateur de déséquilibre dynamique 29, un moment est appliqué au corps tournant 1, et ce moment agit sur le corps tournant 1, à cause du déséquilibre dynamique, de façon à atténuer le tournoiement du corps tournant qui est dû au déséquilibre dynamique. L'efficacité de l'invention ressort des figures 6 et 7 Sur ces figures, Qx représente la valeur de la varia- tion de l'angle autour de l'axe X et Qy représente la valeur de la variation de l'angle autour de l'axe Y Sur la figure 6, la référence 32 désigne des signaux de tournoiement lorsqu'on n'utilise pas le compensateur de déséquilibre dynamique 29 Au contraire, lorsqu'on utilise le compensateur de déséquilibre dynamique 29, les signaux 33 qui correspon- dent à l'invention diminuent et convergent vers zéro au cours du temps La figure 7 montre un signal de vibration dans la zone temporelle de la figure 6, sous la forme d'une figure de Lissajous Lorsque le mouvement de tournoiement au moment o le compensateur de déséquilibre dynamique 29 n'est pas emplo- 2536 138 yé est une figure de Lissajous 34 tournant en sens inverse d'horloge, l'insertion du compensateur de déséquilibre dyna- mique 29 au point P réduit l'amplitude du tournoiement, comme le montre le signal 35. Conformément à l'invention, l'incorporation d'un compensateur de déséquilibre statique ou d'un compensateur de déséquilibre dynamique, ou des deux, dans un dispositif à palier magnétique en direction radiale de type commandé per- met l'atténuation-du mouvement de tournoiement qui est provo-, qué par un déséquilibre dans le corps tournant, et elle pro- cure une amélioration de la précision de rotation du corps tournant, une réduction de charge dans le circuit d'alimenta- tion électrique et une diminution des vibrations et du bruit. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 2536 138 REVENDICATION Dispositif à palier magnétique du type commandé comportant au moins deux paliers magnétiques à direction radiale, caractérisé en ce que le dispositif de commande des paliers magnétiques à direction radiale comporte un compensa- teur de déséquilibre statique destiné à atténuer un tournoie- ment produit par un déséquilibre statique, ou un compensa- teur de déséquilibre dynamique destiné à atténuer un tour- noiement produit par un déséquilibre dynamique, ou les deux.