Brevet FR2580362A1 — publié le 19861017

Dispositif réversible de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif. L'invention concerne un dispositif réversible de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif, entre un élément formé par exemple par une tige rectiligne déplaçable en un mouvement alternatif le long de son axe, et un autre élément fixe en translation et mobile en rotation autour de cet axe. On sait que l'entraînement d'une tige en mouvement rectiligne alternatif le long de son axe au moyen d'un moteur électrique produisant un mouvement rotatif et d'un dispositif mécanique de transformation de ce mouvement rotatif en mouvement rectiligne alternatif appliqué à la tige, est lié à de nombreux problèmes de frottement, de lubrification, d'étanchéité, d'apparition d'un phénomène de résonance au voisinage de la fréquence propre, etc. Pour éviter ces inconvénients, on a par ailleurs proposé d'entraîner directement une tige rectiligne en mouvement alternatif au moyen d'un moteur électrique linéaire. Toutefois, dans ce cas, la fréquence du mouvement alternatif de la tige et la fréquence du courant électrique du moteur sont liées et il en résulte que, si l'on veut obtenir un mouvement alternatif rectiligne à fréquence relativement faible, il faut utiliser un moteur électrique linéaire de grande taille par rapport à un moteur électrique rotatif de même puissance, ce qui implique un encombrement et un prix de revient relativement importants, tandis que, si l'on utilise un moteur électrique linéaire de petite taille qui fonctionne à fréquence plus élevée pour transmettre une certaine puissance, on obtiendra nécessairement un mouvement alternatif rectiligne de même fréquence. On connaît également des dispositifs de couplage magnétique entre une pièce à mouvement rotatif et une pièce à mouvement rectiligne alternatif, permettant de transformer un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif sans contact mécanique, donc sans frottement. Toutefois, la plupart de ces dispositifs ne permettent pas, pour un encombrement acceptable, la transmission d'une puissance suffisante; ou bien sont difficilement compatibles avec des moyens d'étanchéité prévus par exemple autour de la pièce mobile en mouvement alternatif rectiligne. L'invention a pour objet un dispositif réversible de transformation, par couplage magnétique, d'un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif, qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs connus, tout en conservant leurs avantages. En d'autres termes, l'invention a pour objet un dispositif réversible de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif, qui est du type sans contact mécanique, donc sans frottement (pour ce qui est des forces d'entraînement) qui permet d'une part la réalisation d'une étanchéité entre les pièces mobiles, d'autre part la transmission d'une puissance relativement importante, par exemple de l'ordre du kilowatt, pour un ercanorement faible du dispositif, et dans lequel les fréquences de rotation du moteur et du mouvement rectiligne alternatif peuvent entre, par exemple au moyen d'un réducteur, choisies dans une gamme étendue de valeurs et optimisées, le rapport des fréquences étant constant, par construction, au niveau des organes de couplage. L'invention propose à cet effet un dispositif réversible de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif, comprenant un élément formé par une tige rectiligne déplaçable en mouvement alternatif le long de son axe, et un autre élément fixe en translation et mobile en rotation autour de cet axe, formé par une pièce annulaire centrée sur ledit axe, caractérisé en ce qu'un premier desdits éléments porte, sur sa face orientée vers l'autre éléw ment, des aimants permanents dont l'intensité d'aimantation est normale audit axe et qui sont disposés en regard d'une piste annulaire à induction magnétique élevée, présentée par le second desdits éléments, cette piste étant centrée sur ledit axe et ayant, parallèlement audit axe, un contour ondulé périodique, par exemple sinusoïdal, le nombre de périodes de cette piste étant au moins égal à deux, des moyens étant en outre prévus pour empêcher ou limiter la rotation de la tige autour de son axe. Le dispositif selon l'invention permet d'utiliser, pour l'entraînement de l'élément rotatif, un moteur électrique de petite taille à vitesse de rotation élevée relié par exemple par un réducteur à l'élément rotatif, et d'entraîner la tige en mouvement rectiligne alternatif à une fréquence déterminée par la vitesse de rotation de l'élément rotatif et par le nombre de périodes de la piste précitée. Ce nombre de périodes au moins égal à deux permet d'éviter l'application d'efforts radiaux à la tige, qui seraient défavorables à la transmission d'une puissance par le dispositif. Corollairement, la fréquence du mouvement alternatif peut être choisie à une valeur optimale déterminée par les caractéristiques de la charge entraînée par la tige, et non par un compromis entre la valeur optimale de cette fréquence et la valeur optimale de la fréquence du mouvement rotatif produit par le moteur électrique d'entraînement. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention permet avantageusement de prévoir une paroi cylindrique mince, en matériau amagnétique, placée entre les aimants et la piste précitée et assurant l'étanchéité autour de l'un desdits éléments, par exemple autour de la tige. Une telle paroi peut résister à des pressions différentielles importantes et permet d'obtenir de façon très efficace l'étanchéité recherchée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier élément porte une pluralité d'aimants permanents dont linten- sité d'aimantation est normale à l'axe de la tige et qui sont répartis en plusieurs groupes le long de cet axe, et le second élément présente une piste du type précité en regard-de chaque groupe d'aimants, chaque piste ayant le même nombre de périodes et chaque groupe d'aimants comprenant un même nombre d'aimants au plus égal au nombre de périodes d'une piste. La disposition de plusieurs pistes sur le second des éléments et de plusieurs groupes d'aimants sur le premier élément permet d'augmenter la puissance transmissible par le dispositif. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tige est mecaniquement libre en rotation autour de son axe et comprend deux parties identiques écartées axialement l'une de l'autre et coopérant chacune avec une pièce annulaire précitée, les deux pièces annulaires étant identiques et indépendantes l'une de l'autre et étant propres à être entraînées en rotation à la même vitesse dans des sens opposés. La tige ainsi soumise à l'action des deux pièces annulaires est immobilisée en rotation sans-qu'il soit nécessaire d'utiliser pour cela des moyens mécaniques, ce qui réduit encore les frottements. En variante, l'invention prévoit des moyens d'immobilisation en rotation d'une de ces deux pièces annulaires. La tige a alors un mouvement rectiligne alternatif dont la fréquence est divisée par deux, et un mouvement de rotation autour de son axe, ce qui se révèle intéressant dans certaines applications. Dans une autre variante, les deux pièces annulaires peuvent être entraînées à des vitesses de rotation différentes,par exemple à des fins de régulation. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue partielle d'un second mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne IV-IV de la figure 3; la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale d'un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5; la figure 7 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation del'invention; la figure 8 est une vue en coupe selon la ligne VIII-VIII de la figure 7. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 représentant un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif comprend une tige rectiligne 10 déplaçable en mouvement rectiligne alternatif le long de son axe longitudinal 12 et immobilisée en rotation autour de cet axe par des moyens non représentés, par exemple une glissière à billes. Sur la tige cylindrique 10, qui est tubulaire dans l'exemple représenté, est monté fixement un manchon cylindrique 14 dont la surface extérieure comprend au moins une et, par exemple, deux nervures annulaires 16 de hauteur constante, centrées sur l'axe 12, et ayant parallèlement à cet axe un contour ondulé périodique, par exemple sinusoldal, à au moins deux périodes. Le manchon 14 est réalisé en matériau magnétique doux, tandis que la tige 10 est, selon les cas, en matériau magnétique ou amagnétique. L'ensemble tige 10-manchon 14 est entouré par une pièce cylindrique ou rotor 18, centré sur l'axe 12, et propre à être mis en rotation autour de cet axe par un moyen d'entraînement approprié, par exemple par un moteur électrique et éventuellement un réducteur ou démultiplicateur, tout en étant immobilisé en translation par rapport à l'axe 12. Sur la face interne du rotor 18 sont prévues des culasses annulaires 20 formées par des nervures limitées par des plans normaux à l'axe 12, qui sont chacune en regard d'une nervure 16 du manchon 14. Chaque culasse 20 porte des aimants permanents 22, associés éventuellement à des pièces polaires 24, les aimants 22 étant répartis angulairement de façon régulière autour de l'axe 12 sur une culasse annulaire 20 et étant, sur cette culasse, en nombre égal au nombre de périodes de chaque nervure 16 du manchon 14. Les dimensions des différents composants sont choisies de telle façon qu'il ;subsiste un jeu annulaire ou entrefer entre la surface extérieure d'une nervure 16 et les pièces polaires 24 ou les aimants 22 correspondants. Dans cet entrefer peut être disposée une paroi cylindrique mince 26, centrée sur l'axe 12 et qui est en matériau amagnétique, cette paroi cylindrique 26 pouvant être fixe en translation et en rotation par rapport à l'axe 12 et formant une séparation étanche entre le rotor 18 et l'ensemble tige 10manchon 14. Dans l'exemple représenté, chaque culasse interne 20 du rotor 18 porte deux aimants permanents 22 diamétralement opposés, et la périphérie de chaque nervure 16 du manchon 14 est de forme sinusoïdale ondulée à deux périodes. De préférence, le diamètre extérieur des nervures 16 est choisi au moins égal à la course de la tige 10 en mouvement rectiligne alternatif et la distance entre deux nervures 16 est, de préférence, supérieure à cette course. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant En raison de l'attraction magnétique développée par les aimants 22 et les pièces polaires 24 sur les nervures 16, celles-ci tendent à se positionner automatiquement au plus près des pièces polaires 24, comme représenté en figure 1. Lorsque le rotor 18 est entraîné en rotation autour de l'axe 12 dans le sens de la flèche f delta figure 2, les nervures 16 du manchon 14 déplacent la tige 10 dans le sens de la flèche f1 en figure 1 jusqu'à ce que le rotor 18 ait tourné d'un quart de tour et que les pièces polaires des aimants 22 soient en regard des sommets 28 des sinusoïdes formées par la périphérie des nervures 16, après quoi la tige 10 est déplacée dans le sens inverse de la flèche f1 quand le rotor 18 continue sa rotation. La fréquence du mouvement rectiligne alternatif de la tige 10 est égale à la fréquence du mouvement de rotation du rotor 18 multipliée par le nombre de périodes d'une nervure constituant une piste sinusoïdale 16. Comme indiqué plus haut, la f-réquence du mouvement alternatif de la tige 10 est choisie à une valeur optimale en fonction des caractéristiques de la charge entraînée par cette tige, indépendamment de la vitesse de rotation du moteur électrique d'entraînement du rotor 18, l'adaptation entre les deux fréquences étant obtenue, pour un nombre donné de périodes des pistes sinusoïdales 16, au moyen d'un réducteur ou démultiplicateur prévu entre le moteur électrique et le rotor 18. On remarquera que, dans le mode de réalisation de la figure 1, la rermeture du circuit du flux magnétique se fait soit dans un plan perpendiculaire à l'axe 12, par les nervures 16 du manchon 14 et les culasses internes 20 du rotor 18, soit dans un plan axial, d'une nervure 16 à l'autre par l'intermédiaire du manchon 14 et d'une culasse 20 à l'autre par l'intermédiaire du rotor 18. Par ailleurs, la présence de plusieurs séries d'aimants 22 répartis autour de l'axe 12 dans des plans perpendiculaires à cet axe, et la présence de plusieurs nervures 16 correspondantes sur le manchon 14 de la tige 10, permettent d'augmenter la puissance transmissible par le dispositif, sans que l'on ait à disposer tous les aimants 22 dans un même plan perpendiculaire à l'axe 12, ce qui conduirait à augmenter le nombre de périodes d'une nervure 16 et à augmenter de façon correspondante les diamètres de la tige 10 et du rotor 18. On remarquera également que la tige est en équilibre radial, en raison de la répartition régulière des aimants autour de l'axe 12, et d'un nombre total pair d'aimants, au moins égal à deux, pour que les forces radiales se réduisent à un couple Bien entendu, le dispositif selon l'invention est réversible, c1est-à-dire que le rotor 18 peut être entrainé en rotation autour de l'axe 12 par la tige 10 entraînée en mouvement rectiligne alternatif le long de cet axe, les forces d'entraînement n'étant nulles qu'aux extrémités de la course de la tige. On se réfère maintenant aux figures 3 et 4, représentant un mode de réalisation de l'invention dans lequel la disposition aimants permanents-pistes sinusoïdales a été inversée par rapport au mode de réalisation des figures 1 et 2. Dans les figures 3 et 4, la tige cylindrique 10 est traversée diamétralement par au moins un, et par exemple deux, aimants permanents 22 dont les extrémités sont munies de pièces polaires 24 extérieures à la tige 10. La face interne du rotor 18 présente des nervures en saillie 30, de hauteur constante,ayant un contour ondulé périodique, par exemple sinu soldat. Dans l'entrefer formé entre les nervures 30 et les pièces polaires 24 s'étend la paroi cylindrique mince 26, en matière amagnétique, qui est fixe en rotation et en trans lationetforme une étanchéité autour de litige 10. Ce dispositif fonctionne de la même façon et présente les mêmes caractéristiques que le dispositif des ligures 1 et 2. On se réfère maintenant aux figures 5 et 6, représentant un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel les nervures 16 en matériau magnétique doux qui étaient prévues sur la surface extérieure de la tige 10 en figure 1 sont remplacées par des pistes sinusoïdales 32 et 34 constituées par des aimants permanents ayant sur chaque piste une polarité magnétique déterminée, qui sont par exemple des aimants du type cobalt-terres rares (notamment cobalt-samarium). Des aimants permanents 35 et 36 sont fixés sur la surface intérieure du rotor 18 en étant répartis angulairement autour de l'axe 12 dans des plans perpendiculaires à cet axe, en nombre égal au nombre de périodes d'une piste 32 ou 34, et ont une polarité magnétique opposée à celle de la piste 32 ou 34 correspondante. Les pistes magnétiques 32, 34 sont adjacentes et ont des polarités magnétiques alternées. De même, les aimants permanents 35, 36 sont adjacents et ont des polarités magnétiques alternes. Comme précédemment, une enveloppe cylindrique 26 formant étanchéité peut être prévue autour de la tige 10, dans l'intervalle entre les aimants 35, 36 et les pistes 32, 34. Chaque piste sinusoïdale 32, 34 peut être formée par une juxtaposition de plaquettes 37 fixes sur la surface extérieure d'une culasse annulaire 33 portée par la tige 10. On se réfère maintenant aux figures 7 et 8 représentant un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, qui correspondàcelui des figures 3 et 4, les aimants permanents 22 sont portés par la tige 10 et les nervures ou pistes sinusoldales 30 sont formées à l'intérieur de deux rotors 18 identiques écartés axialement l'un de l'autre, qui sont supportés en rotation et immobilisés en translation par des roulements 42 logés dans des chapes 38 d'un bâti 40. Dans l'entrefer entre les nervures sinusoïdales 30 et les aimants 22 s'étend l'enveloppe cylindrique 26 de matériau amagnétique, qui est montée fixement sur les chapes 38 par des pièces d'extrémité 44 et à l'intérieur de laquelle la tige 10 est guidée au moyen de paliers 46. Les deux rotors 18, qui sont identiques l'un à l'autre, sont entraînés en rotation par un moteur électrique 48 porté par le bâti .40, au moyen de courroies crantées 50, de poulies 52 solidaires des rotors et de poulies 54 montées aux extrémités de l'arbre 56 du moteur électrique 48, l'une de ces poulies étant associée à un inverseur de rotation 58 de telle sorte que les rotors 18 soient entraînées à la même vitesse de rotation, mais dans des sens opposés. Dans cette forme de réalisation, la tige 10 n'est pas immobilisée mécaniquement en rotation autour de son axe. Lorsque le deux rotors 18 sont ainsi entraînés à la même vitesse et dans des sens opposés, la tige 10 est entraînée en mouvement rectiligne alternatif, sans tourner autour de son axe, grâce aux forces magnétiques contraires exercées sur elle par les rotors 18. Par contre, lorsque l'un des rotors 18 est bloqué en rotation par des moyens prévus à cet effet, et que ses moyens d'entraînement par le moteur électrique 48 sont débrayés, la tige 10 est entraînée en mouvement rectiligne alternatif le long de son axe par celui des rotors 18 qui est toujours entraîné en rotation, la fréquence du mouvement alternatif de la tige 10 étant alors divisée par deux et cette tige est également entraînée en rotation autour de son axe, dans le même sens que le rotor 18, ce qui est intéressant dans certaines applications, par exemple en permettant, au moyen de lumières ou de rainures formées sur la périphérie de la tige, d'assurer périodiquement une communication entre des espaces normalement séparés de façon étanche. De façon générale, un dispositif selon l'invention ayant un volume de l'ordre de 2 dm3 permet de transmettre des puissances pouvant atteindre des valeurs de l'ordre de 1 kilowatt, et d'entraîner la tige 10 en mouvement alternatif rectiligne à une fréquence de l'ordre de 50 Hz et qui peut atteindre 100 Hz. Le dispositif selon l'invention est applicable à l'entraînement de compresseurs et de surpresseurs à frottement sec dans lesquels le fluide de travail ne peut être pollué par un lubrifiant, ainsi qu'à l'entraînement de machines à cycle de Stirling et de leurs diverses variantes. Dans tous les cas, les fréquences du mouvement alternatif et du mouvement de rotation peuvent être réglées à des valeurs optimales, indépendamment l'une de l'autre, ce qui conduit à une réduction des masses, de l'encombrement et du coût. Revendications. 1. Dispositif réversible de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement rectiligne alternatif, comprenant un élément formé par une tige rectiligne déplaçable en mouvement alternatif le long de son axe, et un autre élément fixe en translation et mobile en rotation autour de cet axe, formé par une pièce annulaire et centrée sur ledit axe, caractérisé en cequtun premier desdits éléments (10, 18) porte, sur sa face orientée vers l'autre élément, des aimants permanents (22) dont l'intensité d'aimantation est normale audit axe (12) et qui sont disposés en regard d'une piste annulaire (16, 30) à induction magnétique élevée, portée par le second desdits éléments (10, 18), cette piste (16, 30) étant centrée sur l'axe (12) et ayant un contour ondulé périodique, par exemple sinusoldal, le nombre de périodes de ladite piste (16, 30) étant moins égal à deux, des moyens étant en outre prévus pour empêcher ou limiter la rotation de la tige (10) autour de son axe (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément (10, 18) porte une pluralité d'aimants permanents (22) disposés dans des plans parallèles perpendiculaires à l'axe (12), le second élément présentant plusieurs pistes (16, 30) du type précité coopérant avec lesdits aimants (22), chaque piste (16, 30) ayant le même nombre de périodes. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une paroi cylindrique mince (26) en matériau amagnétique est placée entre les aimants (22) et la ou les pistes (16, 30) et assure l'étanchéité autour d'un desdits éléments, par exemple autour de la tige (10). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque piste (16, 30) est formée par une nervure de matériau magnétique doux en saillie sur le second élément (10 ou 18) sur sa face tournée vers le premier élément. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque piste (37, 34) à contour ondulé péridique est formée d'une pluralité d'aimants permanents du type cobalt-terres rares, par exemple cobalt-samarium, ayant pour chaque piste une même polarité opposée à la polarité des aimants (35, 36) portés par le premier élément (13). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les pistes ondulées (32, 34) précitées sont adjacentes et ont successivement des polarités magnétiques opposées. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tige (10) est mécaniquement libre en rotation autour de son axe (12) et comprend deux parties identiques écartées axialement l'une de l'autre et entourées chacune par une pièce annulaire (18) précitée, les deux pièces annulaires (18) étant identiques et indépendantes l'une de l'autre et étant propres à être entraînées en rotation dans des sens opposés. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par des moyens d'immobilisation en rotation d'une des deux pièces annulaires (18) précitées. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des pistes (16) est au moins égal à la course de la tige (10) en mouvement rectiligne alternatif. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance transmissible peut atteindre 1 kilowatt environ quand le volume du dispositif est de l'ordre de 2 dm3, et la fréquence du mouvement alternatif peut atteindre 100 Hz environ. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué à l'entraînement de compresseurs et surpresseurs étanches à frottement sec et à des machines thermiques à cycle de Stirling.