Brevet FR2702527A1 — publié le 19940916

PALIER MAGNETIQUE POUR ARBRE TOURNANT De nombreuses applications nécessitent de faire tourner un arbre, à l'intérieur d'un alésage sans que les deux éléments soient en contact. Il s'agit par exemple de cas où les variations de température imposées aux éléments en présence ne permettent pas d'assurer des liaisons mécaniques satisfaisantes et/oú de cas où l'arbre doit tourner à très grande vitesse (au delà de 30 000 tours/minute) Cette disposition permet également d'apporter une solution élégante aux problèmes d'étanchéité (cas des pompes). Pour plus de clarté, on convient d'appeler aimants pilotés, ceux qui sont asservis à des capteurs de déplacement par l'intermédiaire d'une électronique appropriée et aimants passifs les aimants permanents ou les éleetroaimants non pilotés. Les paliers magnétiques permettent de faire tourner un arbre dans un alésage sans contact Deux grandes catégories peuvent entre distinguées: - les paliers magnétiques à aimants pilotes - les paliers magnétiques à aimants passifs. Certains auteurs ont développé des solutions mixtes qui associent des aimants passifs et Les paliers magnétiques à aimants pilotés et les paliers magnétiques mixtes fonctionnent selon le meme principe. Des capteurs cle déplacement mesurent des écarts de positionnement de l'arbre dans l'alésage selon 2 ou 3 aes. L'information est traitée par une électronique adaptée qui commande l'action des aimants pilotes (selon 2 ou 3 axes) de manière à ramener l'arbre dans la pose lion souhaitée. Ces corrections se font bien entendu à très hautre vitesse de maniera que les écarts soient imperceptibles. Dans les solutions mixtes, les aimants passifs assurent en permanence l'essentiel de la sustentation et les aimants pilotés permettent au moins d'assurer les corrections de position. Parmi les publications les plus récentes, ont peut citer les brevets PN J03032338, FR 2644289, FR 2637124... Les paliers magnétiques à aimants pilotés et les paliers magnétiques mixtes utilisent la capacité d'attraction des aimants (ou électroamiants). Les déplacements selon chaque ate (x,y,z) sont gérés séparément. Ceci représente une mécanique et une électronique complexes. Les prix de revient de fabrication sont donc éievés. Les paliers magnétiques à aimants passifs ont été très peu développés. Les applications essentielles sont des butées magnétiques qui limitent le déplacement de l'arbre selon son axe. Parmi les publications les pins récentes, on peut citer le brevet français 2 541 389 La présente invention a pour objet un palier magnétique qui n'est pas piloté et qui présente l'avantage dêtre d'une réalisation simplc. Elle utilise le pouvoir repulsif des aimants passifs. Le palier magnétique objet de l'invention comprend: (figure 1) - un corps central 1 percé d'un alésage 2 qui permet le passage d'un arbre 3 en autorisant un débattement de l'arbre 3 sans que celuzi-ci puisse toucher le corps 1. - deux flasques 4a et 4b qui, au montage soni. rendus solidaires de l'arbre 3 par des moyens mécaniques classiques. (clavettes et écrous par exemple). Avantageusement. le corps central 1 constiùie le stator. C' est la partie fixe du palier tandis que les deux flasques 4a et 4b sont solidaires du mouvement de rotation de l'arbre et constituent le rotor. Cette disposition permet de simplifier la réalisation. Eu cas de besoin particulier le corps 1 peut être rendu solidaire de i l'aff'n 3 candis que les deux flasques 4a et 4b sont fixés et ne sont plus solidaires de l'arbre 3. Cette dernière disposition complique la réalisation. elie est citée pour mémoire. Les flasques 4a et 4b solidaires de l'arbre 3 sont agencés de manière à tourner autour du corps central, de part et d'autre de celui-ci et sans le toucher. L'espace compris entre chacun des flasques et le corps central constitue un volume de révolution dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation. Ce volume est engendré par deux génératrices que sont les profils de la face du corps central 1 qui est en regard du flasque et du profil de celui-ci.Le profil de chacun des flasques et de chacune des plages du corps central est tel sur une longueur AB, qu'un déplacement infinitésimal de premier ordre selon un des axes x.y,z engendre une différence d'écartement d'un point à l'autre de la portion AB de la génératrice qui est, au plus, du 2ème ordre. La réalisation de cette condition permet avantageusement d'optimiser les forces de rappel qui ramènent l'axe en position d'équilibre. Lorque les faces internes des flasques et les faces du corps central 1 sont réalisées selon un cône à 45o, la condition précédente est vérifiéc. Les flasques 4a et 4b et le corps central 1 sont réalisés dans on matériau amagnétique. Pour terminer le dispositif, on insère dans les flasques s 4a et 4b et dans le corps central 1, dans la zone AB, des aimants dont la section à une forme générale de U de manière qu'une branche du U représente le nord de l'aimant et l'autre branche, le sud. La couronne d'aimants montée dans le flastluc 4a est en opposition avec celle qui est montée en regard sur le corps central 1 de manière que les branches nord soient face à face de même que les branches sud. Le corps central repousse donc les flasques. Idéalement le dispositil Les modules aimantés successifs d'une même couronne sont avantageusement séparés par des entretoises qui sont conductrices du flux magnétique mais qui sont en même temps peu conductrices du courant électrique. Cet agencement a pour but de concentrer dans chaque module aimanté le flux réactif qui se développe lorsque un flasque s'éloigne de sa position d'équilibre par rapport au corps central. On favorise ainNi le retour à l'équilibre. Si l'on devait- utiliser des entretoises electriquement isolantes, il conviendrait d'entourer la couronne d'aimants par une ceinture de métal conducteur elle même isolée de la couronne d'aimants afin de favoriser le développement des forces de réaction. Lorsque le dispositif est monté, le flasque 4a est repoussé par le corps central 1 et le flasque 4b est repoussé, dans le sens opposé par le corps central1 également. Le dispositif prend naturellement son équilibre lorsque les deux forces sont d'intensité égale. Un déplacement de faible amplitude par rapport à l'état d'équilibre de l'ensemble des flasques 4a. 4b et de l'arbre 3 selon un des axes x,y.z génère une dissymétrie des forces qui tend à rétablir l'équilibre. En revanche. le mouvement de rotation de l'arbre 3 sur lui-même (axe z) n'est pas frein par la répulsion magnétique. On obtient donc un palier sans contact autostable dont l'équilibre ne nécessite pas d'être asservi à l'aide de capteurs de déplacement. L'axe moycn des couronnes aimantées forme un angle x avec l'axe de rotation z qui est l'axe de l'arbre 3. Cet angle est idéalement compris entre 0 et 45 . Pour certaines applications, afin d'augmenter la raideur de l'arbre 3 il est ilitéressant de disposer des spires dc matériaux conducteurs autour d au moins une des branches des modules en forme dc U qui constituent la couronne aimantée. On réalise ainsi de nombreux solénoïdes que l'on peut relier entre eux pour augmenter la réaction des aimants. En effet, les selunoïdes voisins de la zone ou Je flasque 4b s'éloigne du corps central 1 sont le siège d'un courant apte à renforcer l'action des selinoides portés par les segments qui se trouvent dans la zone où le flasque 4a se rapproche du corps central . On peut avantageusement appliquer une amplificàtion au courant ainsi généré. n n'est donc pas nécessaire d'associer une électronique pilotée par des capteurs de déplacement On notera que le mouvement des deux fiasques 4a et 4b ne sont pas nécessairement synchrone en rotation.En eITd;, l'arbre 3 peut être constitué de deux parties situées sur le même axe de rotation mais, qui sont susceptibles de tourner l'une par rapport à l'autre sans jeu. un flasque étant solidaire de la première partie de l'arbre et l'autre de la seconde partie de l'arbre. On notera également que, sans rieu changer au dispositif, l'arbre 3 peut-etre considéré uniquement comme un organe de liaison des deux fiasques autour du corps central. Dans ce cas, l'entrainement en rotation peut s'effectuer par l'un ou l'autre des flasques. On notera enfin, que l'intérieur du corps central peut-être utilisé pour réaliser une fonction spécifique telle que : moteur électrique, générateur éleqtrique, pompe, tachymètre... Le palier magnétique objet de l'invention présente donc de nombreaux avantages: - n est simple à construire et ne nécessaite pas la misc en oeuvre d'une électronique de pilotage. -'1 nécessite une simple alimentation électrique lorqu'il est réalisé avec des électroaimants et aucune alimentation lorsqu'il est réalisé avec des aimants permanents. - Les dimensions sont restreintes par rapport aux paliers magnétiques pilotés. - Il est susceptible de fonctionner dans des environnements ires seNcres. - Il se prête à un réglage de la raideur du rait de la possibilité de resscrer plus ou moins l'écartement des flasques par rapport au corps central. - Enfin, il se prête très bien à l'intégration d'un moteur électrique dans le corps central. Le palier magnétique selon l'invention trouve ses applications privilégiées dans les domaines suivants: - Broches de machines outils (perçeuse, fraiseuse, tour, rectiiieuse ...J - Pivot de centrifugeuses - Palier pour alternateurs, turbo pompe... - Pivot de roue à inertie - Pivot de pompes (vide et surpression) - Pivot de soufflante. REVENDICATIONS 1) Palier magnétique pour arbre tournant caractérisé en ce que il est constitué d'un corps central percé d'un alésage qui permet le passage de l'arbre tournant qui est rendu solidaire de deux flasques disposés de part et d'autre du corps central en ménageant un volume de révolution libre entre chaque flasque et le corps central. 2) Palier magnétique pour arbre tournant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les faces en regard de chacun des flasques et du corps central portent respectivement des couronnes d'aimants en forme de U dont les pôles se repoussent deux à deux et qui présentent chactme une symétrie de révolution par rapport à l'axe de l'arbre. 3) Palier magnétique pour arbre tournant selon les revendications 1 à 2 caractérisé en ce que les couronnes d'aimants sont constituées a'aimants indépendant qui sont avantageusement séparés par des entretoises réalisées dans une matière faiblement conductrice de l'éléctricité. mais conductrice du dlarnp magnétique. 4) Palier magnétique pour arbre tournant selon les revendications I à 3 caractérisé en ce que chacun des aimants indépendants qui constituent les couronnes est avantageusement muni de solénoïdes judicieusement connectés entre eux de façon à amplifier les couples de réaction qui ramènent l'arbre dans Sa position d'équilibre. 5) Palier magnétique pour arbre tournant selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les branches des U des aimants sont disposées de manière à faire un angle x compris entre 0 et 45" avec l'axe de rotation de l'arbre dans chaque plan passant par cet axe. 6) Palier magnétique pourrarbre tournant selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les couronnes d'aimants sont avantageusement disposées de manière telle qu'un déplacement infinitésimal de l'arbre selon un quelconque des axes engendre un écart de distance entre le flasque et le corps central du deuxième ordre au maximum dans chaque plans passant par l'axe de l'arbre au niveau des couronnes d'aimants.