Brevet FR2720457A1 — publié le 19951201

La présente invention concerne un palier magnétique de butée pour un support axial. En général, un palier magnétique de butée supporte un arbre de telle manière que l'arbre ne se déplace pas axialement grâce à l'interaction d'un rotor en forme de disque fixé à l'arbre et d'un électro-aimant fixé en face de la surface laté- rale du rotor. Ce palier magnétique de butée supporte l'arbre par une force magnétique, sans être en contact avec celui-ci, en commandant l'intensité du courant fourni à la bobine formée dans une encoche de bobine. Par conséquent, un tel palier magnétique de butée est très utile en permettant la rotation à grande vitesse de l'arbre. Les figures IA à 1D représentent des paliers magnétiques de butée classiques. La figure lA représente un palier magnétique de butée typique. Sur la figure 1A, le palier de butée comprend un arbre 11 pour transmettre la force de rotation, un rotor en forme de disque 12 formé à une extrémité de l'arbre 11, des électro-ai- mants annulaires 13 et 14 montés des deux côtés du rotor 12 pour produire des forces magnétiques, et un détecteur d'entrefer 21 pour détecter la position axiale de l'arbre. Des bobines annulaires 19 et 20 sont disposées dans les électro-aimants 13 et 14 pour produire des champs électromagnétiques selon l'intensité du courant appliqué. Un tel palier de butée fonctionne comme cela est décrit ci-après. Le détecteur d'entrefer 21 détecte la position axiale de l'arbre et compare la position détectée à une position de référence. Si l'arbre 11 s'écarte de la position de référence, l'intensité du courant fourni aux bobines annulaires 19 et 20 est commandée pour régler l'intensité de la force magnétique exercée sur le rotor en forme de disque 12. Des pôles Nord et Sud sont formés respectivement sur les faces polaires 15 et 16 de l'électro-aimant 13 faisant face à un côté du rotor. Des pôles Nord et Sud sont également formés sur les faces polaires 17 et 18 de l'électro- aimant 14 faisant face à l'autre côté du rotor. Par conséquent, les électro-aimants maintiennent une distance prédéterminée entre ceux-ci et le rotor 12 par des forces magnétiques en interaction. L'intensité du courant fourni aux bobines annulaires 19 2 2720457 et 20 peut être commandée de telle manière que l'arbre 11 soit maintenu axialement à la position de référence. La taille du rotor 12 et l'intensité des forces magnétiques agissant entre les électro-aimants 13 et 14 et le rotor 12l sont déterminées de la manière décrite ci- après. Les forces d'attraction agissant entre le rotor et les deux pôles formés sur les électro-aimants sont proportionnelles au carré de la densité de flux magnétique produite entre ceux-ci. Pour éviter la saturation du flux magnétique produit par les électro-aimants lorsqu'il passe dans le rotor 12, l'épaisseur du rotor 12 doit être choisie pour être proportionnelle aux largeurs des faces polaires des électro-aimants 13 et 14. Le rayon du rotor 12 doit être choisi en tenant compte du rayon de l'arbre et de la somme des largeurs des deux faces polaires des électro-aimants et des largeurs des bobines annulaires. Lorsque la charge appliquée à l'arbre 11 augmente, les forces d'attraction des électro-aimants 13 et 14 doivent être augmentées en conséquence. A cette fin, l'aire des faces polaires des électro-aimants et le nombre de spires des bobines annulaires doivent être augmentés. Cependant, cela augmente la taille des électro-aimants et, par conséquent, augmente le rayon et l'épaisseur du rotor 12. Au fur et à mesure que la vitesse de rotation et la charge axiale du rotor 12 augmentent, la contrainte créée dans le rotor dépasse la résistance mécanique de celui-ci et le déstabilise, ce qui peut conduire à une rupture mécanique du rotor. Il en résulte que pour un palier magnétique destiné à être utilisé avec une grande vitesse de rotation ou sous une forte charge, la structure décrite plus haut a des limites. Par conséquent, le poids et le rayon du rotor doivent être réduits. Pour éliminer les inconvénients du palier magnétique de butée 10, d'autres types de paliers de butée magnétiques ont eté proposés, comme ceux représentés sur les figures lB, 1C et 1ID. La figurer lB représente un palier magnétique de butée décrit dans le brevet américain n 5 101 130. Ce palier comprend un arbre tournant 31, une paire de collerettes 32 et 33 formées sur l'arbre avec une forme de disque, et un électro- aimant entourant l'une des deux collerettes 32 et 33 et ayant une bobine annulaire à l'intérieur de celui-ci et deux faces polaires 38 et 39 parallèles à l'arbre 31 autour de la circonférence de celui-ci. Dans ce palier magnétique de butée, la taille des collerettes 32 et 33, c'est-à-dire des rotors, peut être réduite, mais le flux magnétique créé à l'intérieur du matériau ferromagnétique est allongé et produit des pertes dans le noyau sous la forme d'une hystérésis et de pertes par courants de Foucault. Cela a l'inconvénient d'augmenter la consommation d'énergie et de produire un couple résistant qui agit dans le sens inverse de la rotation. Par ailleurs, pour assurer le maintien axial du rotor, il faut un électro-aimant supplémentaire, ce qui allonge l'arbre 31 et provoque une instabilité de celui-ci. Les figures lC et ID représentent des paliers magnétiques de butée décrits dans la demande de brevet européen n 0 411 696 A2 déposée en 1990. Sur la figure 1C, un palier magnétique de butée 40 comprend un arbre tournant 41, un rotor en forme de disque 42 formé à une extrémité de l'arbre 41, et des électro- aimants 43 et 44 pour supporter le rotor 42 sans être en contact avec celui-ci. Pour réduire le rayon du rotor 42 tout en permettant à ce rotor 42 d'être le siège d'un flux magnétique suffisant, la face polaire 45 de l'électro-aimant 43 est située en face de la circonférence 47 de celui-ci. Pour avoir une force magnétique plus intense, les deux faces polaires 45 et 46 sont formées de manière à être suffisamment grandes. Cependant, puisque la force axiale n'est créée que par la face polaire 46 située à l'intérieur de l'électro-aimant 43, la force axiale du rotor 42 est faible. En outre, la force magnétique créée par la face polaire 45 située à l'extérieur de l'électro-aimant 43 doit être commandée. Sur la figure lD, un palier magnétique de butée 60 comprend un arbre tournant 61, un rotor 62 formé sur l'arbre 61 et des électro-aimants 63 et 64 pour supporter axialement le rotor. Dans ce palier, la largeur circonférentielle du rotor 62 est réduite pour diminuer son poids de manière que l'arbre 61 soit supporté axialement, même lorsqu'une forte charge est appliquée à celui-ci. Cependant, dans ce palier, il y a une différence entre la largeur de la circonférence et la largeur du centre du rotor 62, de sorte que le rotor 62 est instable du fait de la charge axiale créée par suite de la différence agissant sur les surfaces en pente du rotor. En conséquence, pour éliminer les inconvénients décrits ci-dessus des paliers de butée magnétiques classiques, l'invention a pour but de fournir un palier magnétique de butée dans lequel le rayon du rotor est réduit grâce à un changement de la structure d'un électro-aimant prevu pour supporter axialement un arbre, de telle manière que l'arbre soit supporté de façon stable, même lorsqu'il tourne à grande vitesse ou qu'une forte charge lui est appliquée. Pour atteindre le but de l'invention, il est prévu un palier magnétique de butée comprenant: une paire d'électro-aimants espacés d'une distance prédéterminée, un arbre supporté de manière tournante entre les électro-aimants de la paire et dont une extrémité passe dans un des éléectro-aimants, et un rotor en forme de disque formé à une extrémité de l'arbre et disposé entre les deux électro- aimants, caractérisé en ce que les électro-aimants de la paire ont chacun une chambre annulaire dont le côté faisant face au rotor est ouvert, une encoche de bobine formée dans la chambre annulaire et dans laquelle une bobine est introduite, et des faces polaires intérieure et extérieure formées sur les côtés intérieur et exté- rieur de l'ouverture de l'encoche de bobine, et en ce que la circonférence extérieure de l'ouverture est formée de telle manière que la largeur de l'entrée de l'ouverture soit plus étroite que celle d'une partie contiguë à l'encoche de bobine. Les buts et avantages de l'invention indiqués ci-dessus apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation préférés donnée ci- après en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1A à 1ID sont des vues en coupe axiale de paliers magnétiques de butée classiques; - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un palier magnétique de butée de l'invention; - la figure 3A est une vue en coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation du palier magnétique de butée de l'invention; - la figure 3B est une vue schématique du trajet du flux magnétique dans le palier représenté sur la figure 3A; la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un troisième mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe axiale d'un quatrième mode de réalisation du palier de l'invention; - la figure 6 est une vue en coupe d'un cinquième mode de réalisation du palier magnétique de butée de l'invention; et - la figure 7 est une vue en coupe d'un sixième mode de réalisation du palier magnétique de butée de l'invention. En référence à la figure 2, dans un palier magnétique de butée 100 de l'invention, un arbre 101, prévu pour transmettre une force de rotation, tourne autour d'un axe 103. Un rotor en forme de disque 102 d'épaisseur et rayon prédéterminés est formé à une extrémité de l'arbre 101. L'arbre est supporte axialement en empêchant le rotor de se déplacer vers la gauche et la droite. Deux électro-aimants 104 et 105 sont disposés tout près des deux faces du rotor 102, respectivement. Dans des côtés des électro-aimants 104 et 105 faisant face au rotor sont formées des encoches de bobine 109 dont la section droite a la forme d'un crochet pour recevoir des bobines annulaires 106 et 107 pour produire une force magnétique et commander son intensité. Une chambre annulaire 108, sur laquelle des première (Nord) et deuxième (Sud) faces polaires 110 et 111 sont formées, est formée aux extrémités de deux barres entourant l'encoche de bobine 109 tout en étant espacée par des entrefers prédéterminés 114 et 115 des côtés gauche et droit du rotor 102. L'intensité de la force magnétique créée est déterminée par l'intensité du courant fourni à la bobine anulaire 106 à nombre prédéterminé de spires. Un flux magnétique est produit par les première et deuxième faces polaires 110 et 111. La force magnétique agissant sur la face 102 du rotor est déterminée par les aires des première et deuxième faces polaires 110 et 111 faisant face au côté 112 du rotor. Les aires des première et deuxième faces polaires 110 et 111 faisant face au côté 112 du rotor sont égales entre elles pour que les forces magnétiques agissant sur le rotor soient équilibrées. D'une manière analogue, la force magnétique agissant sur l'autre côté 113 du rotor et créée par la bobine annulaire 107 est également déterminee. Sur les deux barres opposées ayant les deux faces polaires de la chambre annulaire 108, la circonférence extérieure de la barre intérieure est parallèle à l'axe 103, et la circonférence intérieure de la barre extérieure est inclinée pour former une saillie 116. Par conséquent, pour réduire le rayon du rotor, les première et deuxième faces polaires 110 et 111 faisant face à un côté du rotor sont conçues pour être les mêmes. La saillie 116 n'est pas en contact avec la barre intérieure. De plus, la section droite de la saillie va en diminuant pour empêcher les lignes de flux magnétique de passer directement dans la barre intérieure, sans passer par le rotor 102. La première face polaire 110 est formée pour être parallèle au côté du rotor 102 pour que la plus grande partie du flux magnétique passe par le côté du rotor 102; c'est-à-dire que la section droite de la saillie 116 est triangulairre. L'aire de la première face polaire 110 est plus large que celle de la deuxième face polaire 111. Puisque la plus grande partie du flux magnétique passe par la première face polaire 110 faisant face au rotor 102, étant donné que les aires des première et deuxième faces polaires 110 et 111 faisant face au côté 112 du rotor sont les mêmes, le rayon du rotor 102 est réduit de manière que la contrainte créée dans le rotor 102 soit diminuée et que, par conséquent, le palier magnétique de butée fonctionne de manière stable, même lorsque l'arbre 101 tourne sous une forte charge ou à grande vitesse. La position de référence du rotor 102 est détectée par un capteur d'entrefer 21 disposé près du rotor 102 pour détecter la position axiale du rotor. S'il y a un écart par rapport à la position de référence, l'intensité du courant fourni respectivement aux électro-aimants 104 et 105 est commandée pour ramener le rotor à la position de référence. En référence à la figure 3A, celle-ci représente un palier magnétique de butée 0l0a dans lequel le flux magnétique circulant dans le rotor 102 en passant par la barre extérieure de la chambre annulaire 108 ayant la saillie 116 est diminué, et une partie métallique créant des pertes dans le noyau est enlevée. Sur la figure 3B, le flux magnétique circule à un degré moindre dans les parties A et B. Ces parties sont enlevées, comme les parties désignées par les références numériques 118 et 119 sur la figure 3A, pour empêcher les pertes dans le io noyau et réduire le poids du rotor. En référence à la figure 4, celle-ci représente un palier magnétique de butée 100b dans lequel chacun des électro-aimants de la figure 2 ou 3 est divisé en deux parties. En pratique, il faut mettre en oeuvre un procédé très précis pour former les bobines annulaires 106 et 107 dans l'encoche de bobine 109 des électro- aimants constitués comme cela est représenté sur la figure 2 ou 3. De plus, il est impossible de remplacer les bobines annulaires 106 et 107. C'est pourquoi la chambre annulaire 108 de chaque électro-aimant est divisée en une partie extérieure 108a et une partie intérieure 108b. Après que les bobines sont bobinées, les parties distinctes sont réunies entre elles par des moyens d'assemblage CT. Dans cette structure, si un défaut se produit dans une bobine d'électro-aimant 106 ou 107, il est possible de ne remplacer que la bobine annulaire 106 ou 107 au lieu de remplacer l'électro-aimant complet. Cela réduit le coût de production, facilite la fabrication en série et augmente la productivité. En référence à la figure 5, un palier magnétique de butée 120 comprend un arbre 121 tournant autour d'un axe 123, un rotor en forme de disque 122 formé à une extrémité de l'arbre 121 et des électro-aimants 124 et 125 pour supporter le rotor pour l'empêcher de se déplacer vers la gauche et la droite. Les électro-aimants 124 et 125 comportent chacun une bobine annulaire 126 et 127, respectivement, pour créer une force magnétique, l'intensité de celle-ci étant commandée. Les électro-aimants 124 et 125 ont chacun une chambre annulaire 128 ayant une section droite en forme de crochet et sont formés avec des première (Nord) et deuxième (Sud) faces polairers 130 et 131. Ces électro-aimants sont disposés de manière à être espacés par des entrefers 134 et 135 des côtés gauche et droit du rotor 122, respectivement. L'intensité de la force magnétique est déterminée par l'intensité du courant fourni à la bobine annulaire 126 ayant un nombre prédéterminé de spires. Un flux magnétique est produit par les première et deuxième faces polaires 130 et 131. Par conséquent, la force magnétique agissant sur le côté 132 du rotor est déterminée par les aires des première et deuxième faces polaires 130 et 131 faisant face au côté 132 du rotor. Les aires des première et deuxième faces polaires 130 et 131 faisant face au côté 132 du rotor 122 sont égales entre elles, de sorte que les forces magnétiques agissant sur le rotor sont équilibrées. D'une manière analogue, les forces magnétiques agissant sur l'autre côté 133 du rotor et produites par le bobine annulaire 127 sont déterminées. Comme cela a été mentionné ci-dessus, les aires des première et deuxième faces polaires 130 et 131, qui font face au côté du rotor, sont semblables l'une à l'autre, de sorte que le rayon du rotor est réduit. En ce qui concerne les deux barres 129a et 129b de la chambre annulaire, la circonférence extérieure de la barre intérieure est parallèle à l'axe 123, et la barre extérieure a une saillie 139 formée perpendiculairement à la barre intérieure de manière à enfermer la bobine annulaire 126. La circonférence extérieure de la barre intérieure et la circonférence intérieure de la saillie 139 sont espacées l'une de l'autre par un intervalle prédéterminé. La saillie 139 a une largeur et une hauteur prédéterminées. Pour empêcher le flux magnétique de passer directement de la saillie 139 à la barre intérieure 129a, un élément 126 constitué d'un supraconducteur ou d'une matière diamagnétique est interposé entre la saillie 139 et la barre intérieure 129a. Le flux magnétique circulant dans la barre extérieure 129b est transféré au rotor par l'intermédiaire de la première face polaire 130. La première face polaire 130 est formée pour être plus large que la deuxième face polaire 131. Puisque la plus grande partie du flux magnétique passe par la première face polaire 130, qui fait face au côté 132 du rotor, étant donné que les aires des première et deuxième faces polaires 130 et 131 voisines du rotor 122 sont les mêmes, le rayon du rotor 122 est réduit, de sorte que la contrainte créée dans le rotor 122 est diminuée et que le palier fonctionne de manière stable sous forte charge ou à grande vitesse. En référence à la figure 6, celle-ci représente un palier magnétique de butée 120a dans lequel une partie par laquelle le flux magnétique passe à un degré moindre et qui crée des pertes dans le noyau est enlevée de la barre extérieure 129a. Les parties o le flux magnétique circule moins et o des pertes dans le noyau sont créées comme dans les parties A et B de la figure 3B sont enlevées, comme cela est représenté par les références numériques 137 et 138 de la figure 6. Cela empêche les pertes dans le noyau et diminue le poids du rotor. Ce palier magnétique de butée est plus utile que le palier magnétique de butée 120 de la figure 5. La figure 6 représente un palier magnétique de butée 12b dans lequel la chambre annulaire 128 est divisée en deux parties. Sans cela, ce n'est qu'avant d'insérer l'élément 136, prévu pour faire écran au flux magnétique, qu'il est possible de former les bobines 106 et 107 dans le corps des électro-aimants constitués comme sur la figure 5. Pour éliminer cet inconvénient, la chambre annulaire 128 est divisée en une partie extérieure 128a et une partie intérieure 128b. Ces deux parties 128a et 128b sont assemblées par des moyens d'assemblage CT. Grâce à cela, si une réparation est nécessaire, il est possible de ne remplacer que les bobines annulaires 126 et 127 au lieu de l'ensemble électromagnétique complet, ce qui réduit le coût de production et permet de faire des économies de matière. De plus, cela facilite la fabrication du palier, ce qui augmente la productivité. REVENDICATIONS 1. Palier magnétique de butée, comprenant: - une paire d'électro-aimants (104, 105; 124, 125) espacés d'une distance prédéterminée; - un arbre (101; 121) supporté de façon tournante entre les électro- aimants (104, 105; 124, 125) de ladite paire et dont une extrémité passe dans l'un desdits électro-aimants; et - un rotor en forme de disque (102; 122) formé à une extrémité dudit arbre (101; 121) et disposé entre les électro-aimants de ladite paire, caractérisé en ce que les électroaimants de ladite paire ont chacun une chambre annulaire (108; 128) dont le côté faisant face audit rotor est ouvert, une encoche de bobine (109; 139) formée dans ladite chambre annulaire et dans laquelle une bobine (106, 107; 126, 127) est introduite, et des faces polaires intérieure et extérieure (110, 111; 131, 132) formées sur les côtés intérieur et extérieur de l'ouverture de ladite encoche de bobine; et en ce que la circonférence extérieure de l'ouverture est formée de telle manière que la largeur de l'entrée de ladite ouverture soit plus étroite que celle d'une partie contiguë à ladite encoche de bobine. 2. Palier magnétique de butée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite circonférence extérieure est formée pour être en pente. 3. Palier magnétique de butée selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor (102; 122) est formé de telle manière que le diamètre dudit rotor soit plus petit que celui des électro-aimants de ladite paire, les électro-aimants de ladite paire ayant chacun une partie en pente (118; 137) qui est formée en enlevant le coin extérieur de ladite face polaire extérieure. 4. Palier magnétique de butée selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de bordure comprise entre la partie en pente (118) des électro- aimants de ladite paire et ladite face polaire extérieure (110; 130) a le même diamètre que le diamètre dudit rotor. 5. Palier magnétique de butée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paire d'électro-aimants comprend un élément (136) formant écran magnétique introduit dans l'ouverture de ladite encoche de bobine de manière que les fuites de flux magnétique entre lesdites faces polaires intérieure et extérieure soient empêchées par un écran. 6. Palier magnétique de butée selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que ledit rotor (102; 122) a un renfoncement (119; 138) formé au milieu de la circonférence pour réduire le poids. 7. Palier magnétique de butée selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, dans lequel les électro-aimants de ladite paire sont formés chacun avec des parties intérieure et extérieure distinctes (108a, 108b). 8. Palier magnétique de butée selon la revendication 6, caractérisé en ce que les électro-aimants de ladite paire sont formés chacun avec des parties intérieure et extérieure distinctes (128a, 128b).