Brevet FR2565310A1 — publié le 19851206

VOLANT D'INERTIE A SUSPENSION MAGNETIQUE L'invention concerne un volant d'inertie à suspension magnétique comportant un bâti et un volant suspendu à ce bâti par une suspension magnétique comprenant une butée magnétique passive et un centreur magnétique actif. Les suspensions magnétiques sont basées sur l'utilisation des forces développées par un champ magnétique pour maintenir une masse telle qu'un rotor en lévi- tation magnétique sans contact mécanique entre la partie fixe et la partie mobile. Leurs principaux avantages sont L'absence de frottement de contact, la possibilité d'utilisation sous vide et une durée de vie pratiquement illimitée. IL existe des paliers actifs et des paLiers passifs. Les paliers passifs utilisent les forces d'attraction ou de répulsion exercées par des aimants permanents. Ils sont très simples et ne demandent aucun apport d'énergie. Les paliers actifs utilisent les forces d'at- traction créées par un courant circulant dans une bobine autour d'un circuit magnétique. Ils nécessitent des capteurs de position ou de vitesse et un asservissement qui contrôle Le courant circulant dans les bobines. On connait, selon l'art antérieur, des suspensions pour des machines tournantes. Dans un tel cas, it faut contrôler cinq degrés de liberté, à savoir trois degrés de liberté en translation et deux degrés de liberté en rotation. D'après le théorème d'Earnshaw, le contrôle des trois translations est impossible au moyen de paliers passifs. La suspension doit posséder au moins un palier actif. Dans Le cas te plus simpLe (P. C. POUBEAU, "Satellite Flywheels with Magnetic Bearings and Passive Radial Centering", J. SPACECRAFT, vol. 17, n" 3, 1980), seul le mouvement axial est contrôlé activement. Les quatre autres mouvements sont stables passivement grâce au flux d'ai mants permanents.Ce type de suspension magnétique donne de bonnes performances, sauf pour la stabilité à grande vitesse des mouvements radieux et de balncerent du rotor. On a proposé (M. INOUE et al., "Magnetically suspended annuler flywheel", Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki,Japon) un volant contrôlé magnéti- quementdans lequel deux mouvementsradiaux sont contrô- Lés activement et Les trois autres mouvements, un nouve- ment axial et deux rotations, sont stables passivement au moyen d'aimants permanents. Cependant, un teL volant n'est applicable qu'à un anneau De plus, Les fonctions de La butée et du centreur ne sont pas séparées, ce qui nuit à La stabilité du système. Le but de l'invention est de creer un voLant d'inertie à suspension magnétique qui peut presenter une autre forme que celle d'un anneau, en particulier celle d'un disque. Sa stabilité doit être augmentée par rapport à ceLle des volants actuellement connus. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce au fait que le volant est constitué par un disque, le moment d'inertie axiale A et Le moment d'inertie transversale C de ce disque étant tels que leur rapport CA est supérieur à 1, et en ce que la butée passive est constituée d'un premier et d'un second aimants permanents rigides de forme annulaire et de rayon (r), Le premier aimant permanent étant solidaire du bâti, le second aimant permanent étant solidaire du volant et tournant avec Lui. Avec un tel votant d'inertie, la butée magnétique passive et le centreur magnétique actif peuvent être disposés de telle manière que ce dernier soit situé sensiblement dans Le plan de ta butée magnétique. Toutefois, cette condition n'est pas indispensable. On peut égale- ment décaler Le centreur par rapport au plan de la butée magnétique, ce qui augmente Les possibilités de réalisation. Dans un tel cas, conformément à l'invention, le centreur magnétique actif est décalé d'une distance L par rapport au plan des aimants permanents, cette distance L étant inférieure au rayon r de ces aimants. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en référence aux figures annexées qui représentent seulement des exemples de réalisation. - la figure 1 est une vue en coupe d'un volant d'inertie à suspension magnétique conforme à l'invention comportant une butée passive et un centreur actif, - La figure 2 est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'un volant d'inertie à suspension magnétique comportant une butée passive et un centreur actif, - Les figures 3 et 4 illustrent les moyens d'asservissement de la position radiale d'un rotor d'un volant d'inertie conforme à l'invention. On a représenté sur la figure 1 un premier mode de réalisation de l'invention. Il comporte une enceinte 1 qui permet de maintenir un vide primaire, un bâti 2 qui supporte un premier aimant permanent 4. Le rotor 6, qui constitue le volant d'inertie est formé d'un disque 6a et d'un manchon 6b solidaire du disque. Un second aimant permanent 8 situé en regard du premier aimant permanent 4 est fixé sous la surface inférieure du disque. Les aimants 4 et 8 sont des aimants au samarium-cobalt. Chacun des premier et second aimants 4, 8 est maintenu dans une frette amagnétique 9 à haute résistance qui est elle-même vissée respectivement sur le bati 2 et sur le disque 6a. Le disque 6a est plein. IL pourrait également être profilé de manière à présenter un profil isocontrainte ou être réalisé en un matériau composite comportant un noyau. Le bâti 2 supporte également le stator 10 d'un moteur électrique dont Le rotor 12 est logé dans une rainure annulaire pratiquée dans Le manchon 6b. Le centrage du rotor 6 par rapport au bâti est assuré au moyen d'un centreur électromagnétique asservi. Ce centreur comporte quatre électro-aimants 14 liés au stator et une culasse tournante constituée par-une couronne annulaire fermée métallique. Au-dessus des aimants 14 et de La culasse 16 se trouvent Les détecteurs de positions, également au nombre de quatre. Chaque détecteurse compose d'une partie fixe 18 portée par le stator en regard du rotor 20 Logée dans une rainure annulaire du rotor. Dans L'exemple de réalisation représenté, Le rayon r des aimants 4 et 8 est le même, mais ce n'est pas indispensable. Ils pourraient être différents. D'une manière générale, la butée passive peut présenter toutes tes configurations décrites dans L'article de J. P. YONNET, "Permanent magnet bearings and couplings" IEEE Magnetics, vol. Mag 17, nO 1, pp 1169-1173, jan. 1981. Cependant, l'exemple représenté sur la figure 1 est celui dont la réalisation est la plus simple. On a représenté sur La figure 2 un deuxième mode de réalisation d'un volant d'inertie à suspension magnétique de L'invention, comportant une butée passive et un centreur actif. Ce mode de réalisation se distingue de ce lui de la figure 1 par le fait que la butée passive est située à L'intérieur du centreur, alors que dans le mode de réalisation de ta figure 1, le centreur actif est situé à l'intérieur de la butée passive. La butée passive est constituée d'une bague ai mantée 4 solidaire du support 2, schématisée en traits mixtes, et d'une bague aimantée 8 de plus petit diamètre qui est située à l'intérieur de La bague aimantée 4.-La bague 8 est solidaire de la plaque 6 constituant la masse suspendue. Par ailleurs, la suspension comporte un centreur actif. Ce centreur est constitué d'un anneau métallique 16 formant une culasse, fixé à la plaque 6, et de quatre électro-aimants 14 disposes angulairement à 900 l'un de L'autre. Les bobinages 22 des électro-aimants sont alimentés en courant électrique. La suspension comporte encore des moyens d'asservissement de la position de la plaque 6. Ces moyens seront décrits plus en détail en référence aux figures 3 et 4. On retrouve sur la figure 3 quatre électro-aimants 14 et La culasse 16 qui permet de refermer le circuit magnétique. Quatre détecteurs 24 de la position du rotor fournissent un signal électrique qui est fonction de la position du rotor 16. Comme on peut le voir sur la figure 4, le signal du détecteur de postion 24 est introduit dans un comparateur 26 pour être comparé à un signal de référence 28 qui définit La position nominale du rotor. Si le signal de réference est nul, la position nominale est au centre du stator. Le signal d'erreur 30 est proportionnel à la différence entre la position nominale et la position instantanée du rotor. Ce signal d'erreur est traite par un circuit correcteur 32 qui émet un signal de commande à l'amplificateur de puissance 34 qui fournit aux électro-aimants 14 L'énergie du champ magnétique qui crée les forces agissant sur le rotor. Le rapport du signal de sortie au signal d'erreur est appelé fonction de transfert ; elle ~est choisie de manière à maintenir Le rotor dans sa position nominale avec la plus grande précision et à le ramener rapidement avec un mouvement bien amorti dans cette position si une force perturbatrice a écarté le rotor de cette position. La fonction de transfert définit La raideur et L'amortissement de la suspension magnétique. Dans les exemples de réalisation décrits en re ference aux figures, Le plan du palier actif se trouve sensiblement dans Le plan de La butée passive (fig. 1, 2). Toutefois, Le volant d'inertie de l'invention reste encore stable, même si Le palier actif est décale d'une longueur L par rapport au plan de la butée ou du centreur passif, à La condition que ce décaLage L n'excède pas une certaine valeur. Cette valeur est fonction de La raideur axiale k a et de la raideur radiale kr de la butée passive. Dans le cas d'un palier magnétique à aimant permanent rigide, on sait que lè rapport k 1k est égal à -2. a r On sait que par ailleurs la raideur angulaire d'un palier de ce type est donnée par la formule : kO = L2.k k + r2.k r - a Pour que La suspension soit stable, on doit avoir kO positif. On en déduit donc que Le décalage L doit être au plus égal au rayon r du palier magnétique. Par comparaison, dans le cas d'une butée à réluctance variable, le rapport de la raideur axiale à La raideur radiale est de L'ordre de -15. On en déduit donc que le décaiage L doit être au plus égal au quart environ du rayon de la butée. Le décalage admissible est donc beaucoup plus faible et les possibilités constructives sont donc réduites. D'autre part un facteur complémentaire dû au déplacement des lignes de flux dans l'entrefer d'une butée à réluctance variable diminue encore la raideur angulaire. Cela conduit à une limite sur la distance L plus petite que celle déduite de la formule précédente. Par ailleurs, le rapport du moment d'inertie axiale C à son moment d'inertie transversale A du rotor suspendu est de préférence supérieur à 1. En effet, dans ce cas, le rotor n'a pas tendance à se déstabiliser. Il n'existe pas de fréquence critique angulaire à franchir comme c'est le cas lorsque ce rapport est inférieur à 1. Dans ce dernier cas, on est obligé de prévoir un dispositif spécial pour amortir la fréquence critique. Le fait que Le rapport C/A est supérieur à 1 permet de s'affranchir de cette contrainte et justifie l'emploi d'une butée passive sans système d'amortissement. REVENDICATIONS 1. Volant d'inertie à suspension magnétique comprenant un bâti (2) et un volant (6, 6a, 6b) suspendu à ce bâti (2) par une suspension magnétique comprenant une butée magnétique passive (4, 8) et un centreur magnétique actif (16, 18), caractérisé en ce que Le voLant est constitué par un disque, le moment d'inertie axiale (C) et le moment d'inertie transversale (A) de ce disque étant tels quelle rapport (C/A) est supérieur à 1, et en ce que la butée passive est constituée d'un premier et d'un second aimants permanents rigides (4, 8) de forme annulaire et de rayon (r), le premier aimant permanent (4) étant solidaire du bâti, le second aimant permanent (8) étant solidaire du volant (6) et tournant avec lui. 2. Volant d'inertie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le centreur magnétique actif (16, 18) est décalé d'une distance (L) par rapport au pLan des aimants permanents (4, 8), cette distance (L) étant inférieure au rayon (r) de ces aimants. 3. Volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le disque est plein. 4. Volant d'inertie selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce que le centreur actif (14, 16) comprend une pluralité d'électroaimants (14), des moyens (34) pour alimenter en courant électrique lesdits électro-aimants (14), un détecteur (24) de l'écart de la position relative de la masse suspendue par rapport au bâti associé à chaque électroaimant (14) et des moyens de traitement (26, 32) des signaux élaborés par chacun des détecteurs (24) pour faire varier L'alimentation en courant électrique de l'éLectro-aimant auquel il est associé. 5. Volant selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que La butée pas sive est constituée d'un anneau d'aimant tournant en samarium-cobalt soutenu par une frette à haute résistance et d'un anneau fixe constitué d'aimant de même nature.