Brevet FR2720456A1 — publié le 19951201

L'invention concerne un palier magnétique radial actif sans aimants. Il faut préciser ici que les paliers magnétiques avec aimants, et les paliers magnétiques sans aimants, constituent deux familles de produits que l'homme de métier tend à considérer comme complètement indépendantes l'une de l'autre sans qu'il puisse y avoir d'intérêt a priori à combiner des caractéristiques de l'une et de l'autre de ces familles. Une première famille de tels paliers magnétiques actifs sans aimants comporte une succession annulaire de pièces en C sensiblement coplanaires en ayant leurs concavités tournées vers un point situé sur l'axe de rotation d'un rotor. Ces pièces en C portent des bobines ; lorsqu'un courant circule dans ces bobines, un flux magnétique est généré tandis que les extrémités de ces pièces en C deviennent des pôles NORD et SUD respectivement. Les extrémités des pièces en C, alignées sur un cercle, définissent des entrefers radiaux avec une portion annulaire du rotor réalisée en matériau ferromagnétique, de diamètre inférieur à celui du cercle précité. Ces pièces en C ont une forme d'anse ou d'oreille et confèrent au palier, lorsque ces pièces en C sont au nombre de quatre en étant décalées de 900 autour de l'axe de rotation, une allure générale de trèfle à quatre feuilles. Les chemins aller et les chemins retour du flux magnétique entre les pièces en C et la partie ferromagnétique du rotor se situent dans un même plan, c'est-à-dire celui dans lequel sont disposées les pièces en C. Par ailleurs, le flux magnétique circule circonférentiellement à la périphérie du rotor. Ce type de palier a l'inconvénient de générer beaucoup de pertes par courants de FOUCAULT lors de la rotation du rotor en raison de la succession rapide, pour chaque zone du rotor, de zones d'induction opposées. Ceci est très préjudiciable dans les applications sous vide ou dans des configurations miniaturisées ou compactes, car les possibilités d'extraction des calories sont alors très réduites. Une variante de ce type de palier est décrite dans le document FR-2.561.729. Il y est proposé un palier dont le stator comporte, le long de sa périphérie interne, une pluralité d'encoches délimitant une pluralité de doigts radiaux aux extrémités élargies, presque contiguës. Sur ces doigts sont bobinés des bobinages radiaux connectés par paires, les bobinages de chaque paire étant décalés de 900 l'un de l'autre. Ces bobinages sont alimentés de proche en proche, grâce à un système de commutation, avec un courant sinusoïdal. Cette solution a toutefois l'inconvénient de conduire à des risques de courts-circuits magnétiques entre les divers axes d'asservissement conduisant à des couplages entre axes et rendant globalement instable l'asservissement d'un tel système. Une autre famille de palier actifs sans aimants comporte une succession annulaire de pièces en C munies de bobines et ayant leurs concavités tournées vers l'axe de rotation du rotor, ces pièces en C ayant ceci de différent par rapport à celles de la première famille qu'elles sont contenues, non pas dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation, mais dans divers plans contenant cet axe. Les chemins aller et les chemins retour du flux magnétique entre les pièces en C et le rotor sont alors situés dans deux plans parallèles décalés axialement. Par ailleurs, le flux magnétique circule axialement à la périphérie du rotor, entre les deux plans précités. Cette solution a toutefois, d'après le document FR-2.561.729 précité, l'inconvénient que les forces magnétiques ne peuvent pas être très importantes et la pénétration du flux magnétique dans le rotor ne peut être profonde. Il se produit par ailleurs un échauffement du rotor par les courants de FOUCAULT en raison du fait que le champ magnétique tourne en principe en synchronisme avec le rotor. L'invention a pour objet de pallier les inconvénients précités, grâce à un palier sans aimants dont la géométrie des pièces polaires supprime ou du moins diminue de façon sensible la génération des courants de FOUCAULT, sans nécessiter pour autant que le rotor soit laminé ; il peut donc être massif. L'invention propose un palier magnétique actif sans aimant pour le centrage radial par rapport à un stator, selon au moins un axe radial de centrage, d'un rotor ayant un axe de rotation perpendiculaire à cet axe de centrage, ce palier comportant - deux paires de pièces polaires ferromagnétiques statoriques disposées de part et d'autre de l'axe de rotation, chaque paire de pièces polaire comportant une pièce polaire supérieure et une pièce polaire inférieure, ces pièces polaires supérieure et inférieure de chaque paire étant reliées à distance radiale du rotor par une pièce polaire axiale, les pièces polaires supérieure et inférieure de chaque paire formant avec cette pièce polaire axiale un ensemble polaire comportant au moins un bobinage connecté à un dispositif d'alimentation en courant adapté à lui fournir un courant comportant une composante continue et une composante variable, les pièces supérieures de chaque paire d'une part, et les pièces inférieures de chaque paire d'autre part, étant coplanaires et contenues dans des plans décalés axialement le long de l'axe de rotation - une partie ferromagnétique rotorique solidaire du rotor, disposée radialement entre les paires de pièces polaires et délimitant des entrefers radiaux avec les tranches des pièces polaires supérieure et inférieure de ces paires. L'homme de métier était a priori dissuadé d'adopter une telle configuration compte tenu des inconvénients indiqués ci-dessus à propos de la deuxième famille de paliers magnétiques sans aimants (voir la figure 1 du document FR-2.561.729 déjà cité) . Ces inconvénients apparaissent de fait lorsque l'on considère un champ magnétique sinusoïdal tournant selon leur technologie. Cela crée des courants de FOUCAULT intenses qui ralentissent le rotor en rotation, et qui empêchent la pénétration du champ dans le rotor. Mais l'invention tire parti de ce que, en générant une composante continue quasiment axisymétrique, qui n'est que modulée par une contre réaction visant à contrôler les perturbations extérieures au système, cet inconvénient disparaît du fait de l'excellente homogénéité du champ sur un tour. Si par ailleurs on cherche, contrairement au préjugé de l'homme de métier indiqué ci-dessus, à comparer l'invention à certains paliers magnétiques à aimants, on peut noter les avantages suivants Le remplacement des aimants par une composante continue dans un bobinage rend le système moins cher car l'électronique de puissance qui doit être ajoutée est moins coûteuse que des aimants en terres rares, du moins dans les applications terrestres. Cela simplifie la conception mécanique du dispositif, supprime un approvisionnement, du stockage, des difficultés de montage (aimants fragiles, difficiles à manipuler aimantés) etc La température susceptible d'être supportée par un aimant, est d'environ 300"C, alors qu'un bobinage relativement classique est capable d'aller jusqu'à 4000C, et des bobinages plus exotiques" permettent d'atteindre 6000C. Un bobinage peut être plus facilement refroidi qu'un aimant, par exemple grâce à des tubulures traversantes. Selon des dispositions préférées de l'invention, éventuellement combinées - le bobinage de chaque paire de pièces polaires comporte un premier enroulement et un second enroulement, la composante continue étant appliquée à l'un des enroulements et la composante variable étant appliquée à l'autre desdits enroulements, - le bobinage de chaque paire de pièces polaires comporte un enroulement porté par l'une des pièces polaires supérieure ou inférieure, - le bobinage de chaque paire de pièces polaires comporte un enroulement porté par la pièce polaire axiale, - la partie rotorique comporte deux nervures en saillie radiale destinées à venir radialement en regard desdites tranches des pièces polaires supérieure et inférieure, - la partie rotorique comporte une paroi qui est lisse en regard radialement desdites tranches des pièces polaire supérieure et inférieure, - ce palier comporte une pluralité annulaire de paires de pièces polaires supérieure et inférieure, chaque pièce polaire supérieure, respectivement inférieure, étant reliée par une portion étranglée (19) aux pièces polaires supérieures, respectivement inférieures, adjacentes, - il comporte une pluralité annulaire de paires de pièces polaires supérieure et inférieure, chaque pièce polaire étant indépendante des pièces polaires des paires adjacentes, - le rotor est disposé entre les deux paires de pièces polaires. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'un palier conforme à l'invention, ayant deux axes d'asservissement, - la figure 2 est une vue en coupe axiale du palier de la figure 1, - la figure 3 est une variante de la figure 2, - la figure 4 est une vue de dessus d'un autre palier conforme à l'invention, et - la figure 5 est une vue en coupe axiale d'encore un autre palier conforme à l'invention. Les figures 1 et 2 représentent un premier palier conforme à l'invention repéré 10 dans son ensemble. Ce palier comporte, deux axes radiaux d'asservissement ou de centrage X-X ou Y-Y perpendiculaires à l'axe de rotation Z-Z d'un rotor mobile par rapport à un stator. Le nombre d'axes peut être, en variante, égal à 1, ou à 3 voire plus. Le palier comporte, pour chaque axe radial de centrage, deux paires de pièces polaires ferromagnétiques llA et 12A, 13A et 14A (llB, 12B, 13B et 14B pour l'autre axe de centrage ; seules certaines de ces pièces sont représentées effectivement sur les dessins), ces deux paires étant disposées symétriquement de part et d'autre de l'axe de rotation Z-Z. Chaque paire, correspondant à un demi-axe de centrage, comporte une pièce polaire supérieure llA, 13A, llB ou 13B et une pièce polaire inférieure 12A, 14A, 12B ou 14B, les pièces polaires supérieure et inférieure de chaque paire étant reliées par une pièce polaire ferromagnétique axiale 15A, 15B, 16A ou 16B, disposée à distance radiale du rotor. Chaque paire de pièces polaires, complétée par sa pièce axiale, constitue un ensemble muni d'un bobinage connecté à un dispositif 100 d'alimentation en courant adapté à lui fournir un courant comportant une composante variable déterminée de toute façon connue appropriée en sorte d'asservir le rotor en position radiale, selon l'axe de centrage considéré ainsi que, le plus souvent, une composante continue Les pièces supérieure et inférieure des diverses paires sont, respectivement, contenues dans des plans supérieur et inférieur P1 et P2 transversaux à l'axe Z-Z et décalés axialement. Le rotor comporte quant à lui une partie ferromagnétique 15, disposée radialement entre les paires de pièces polaires en délimitant avec les tranches de celles-ci des entrefers radiaux. Le rotor est ici disposé à l'intérieur des paires de pièces polaires. En variante non représentée, l'invention peut se généraliser au cas où le rotor comporterait une couronne entourant les paires de pièces polaires. Dans l'exemple des figures 1 et 2 le bobinage de chaque paire est formé de deux enroulements 16A et 16B recevant respectivement la composante continue et la composante variable de modulation ou d'asservissement du courant appliqué par le dispositif 100. En fait la composante continue est indispensable dans un certain nombre d'applications où elle génère un flux constant à la manière d'un aimant. Plus précisément, dans l'exemple des figures 1 et 2, les deux enroulements (quel que soit leur ordre) sont montés sur les pièces polaires inférieure et supérieure. Lorsque le courant leur est appliqué, ces enroulements génèrent des flux qui s'ajoutent (ou se retranchent) et se referment, au travers des entrefers, par l'intermédiaire de la partie rotorique ferromagnétique 18. Pour assurer une raideur axiale au palier magnétique (sous réserve qu'il y ait une composante continue d'alimentation) la partie rotorique ferromagnétique comporte avantageusement deux nervures 17A et 17B en saillie radiale adaptées à venir et rester radialement en regard des tranches des pièces polaires supérieure et inférieure. Au cas où aucune composante continue n'est nécessaire, il peut suffire d'un seul enroulement. De même, il est possible d'appliquer à un même enroulement une composante continue et une composante variable. La figure 3 décrit une variante d'implantation des bobinages, ne comportant qu'un seul enroulement 16' (les éléments similaires à ceux de la figure 2 portant les mêmes numéros de référence, mais affectés de l'indice "prime"). Cet emplacement pour l'enroulement permet de minimiser l'encom- brement radial des pièces polaires. L'intérêt de dissocier la bobine qui passe le continu, de celle qui passe la modulation, est de diminuer le nombre d'amplificateurs de puissance. Cette possibilité donne le choix au concepteur entre diminuer le volume d'électronique, ou au contraire celui du palier, dans le cas où la composante continue est considérée comme nécessaire pour satisfaire le besoin. Ainsi qu'il ressort de la figure 1, les pièces polaires supérieures (il en est de même pour les pièces 8inférieures) des diverses paires associées aux divers axes de centrage sont reliées entre elles, circonférentiellement, par des portions ferromagnétiques étranglées ou pontets 19, ce qui permet une solidarisation mécanique de ces pièces tout en minimisant les interférences entre les axes de centrage ces pontets, qui prolongent circonférentiellement les tranches des pièces polaires en sorte de former une tranche circulaire continue, font qu'il y a un entrefer unique et continu entre les pièces polaires et les nervures 17A et 17B, assurant ainsi un lissage de l'induction dans l'entrefer (il est en principe d'un même sens radial pour toutes les pièces polaires d'un même niveau, soit centrifuge, soit centripète, à moins qu'il n'y ait pas de composante continue dans le courant d'alimentation des bobinages). Le lissage de l'induction évite l'apparition des courants de FOUCAULT. La figure 4 montre une variante de réalisation dans laquelle les pièces polaires sont totalement indépendantes. Les éléments similaires à ceux de la figure 1 y sont affectés des mêmes numéros de référence, mais avec l'adjonction de l'indice "seconde". Un tel palier est plus facile à fabriquer que celui de la figure 1, mais peut conduire au développement de courants de FOUCAULT. La figure 5 propose quant à elle un palier similaire à ce qui précède, avec addition du chiffre 100 aux numéros de référence affectés aux éléments de la figure 2 qui y sont reproduits. Le palier a toutefois ceci de particulier que la partie rotorique ferromagnétique 115 est lisse, sans nervures, il n'y a donc pas de raideur axiale. Le bobinage n'y est pas représenté ; il peut être conforme notamment à celui des figures 2 ou 3. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Palier magnétique actif sans aimant pour le centrage radial par rapport à un stator, selon au moins un axe radial de centrage (X-X), d'un rotor ayant un axe de rotation (Z-Z) perpendiculaire à cet axe de centrage, ce palier comportant - deux paires de pièces polaires ferromagnétiques statoriques (llA-12A ; llA'-12A' ; 111-112) disposées de part et d'autre de l'axe de rotation, chaque paire de pièces polaire comportant une pièce polaire supérieure et une pièce polaire inférieure, ces pièces polaires supérieure et inférieure de chaque paire étant reliées à distance radiale du rotor par une pièce polaire axiale (15, 15', 15", 115), les pièces polaires supérieure et inférieure de chaque paire formant avec cette pièce polaire axiale un ensemble polaire comportant au moins un bobinage (16A, 16B, 16') connecté à un dispositif d'alimentation en courant adapté à lui fournir un courant comportant une composante continue et une composante variable, les pièces supérieures de chaque paire d'une part, et les pièces inférieures de chaque paire d'autre part, étant coplanaires et contenues dans des plans (P1, P2) décalés axialement le long de l'axe de rotation - une partie ferromagnétique rotorique (18, 18', 1811, 118) solidaire du rotor, disposée radialement entre les paires de pièces polaires et délimitant des entrefers radiaux avec les tranches des pièces polaires supérieure et inférieure de ces paires. 2. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage de chaque paire de pièces polaires comporte un premier enroulement (16A) et un second enroulement (16B), la composante continue étant appliquée à l'un des enroulements et la composante variable étant appliquée à l'autre desdits enroulements. 3. Palier magnétique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le bobinage de chaque paire de pièces polaires comporte un enroulement (16A, 16B) porté par l'une des pièces polaires supérieure ou inférieure. 4. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bobinage de chaque paire de pièces polaires comporte un enroulement (16') porté par la pièce polaire axiale. 5. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie rotorique comporte deux nervures (17A, 17B, 17A', 17B') en saillie radiale destinées à venir radialement en regard desdites tranches des pièces polaires supérieure et inférieure. 6. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie rotorique (118) comporte une paroi qui est lisse en regard radialement desdites tranches des pièces polaire supérieure et inférieure. 7. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ce palier comporte une pluralité annulaire de paires de pièces polaires supérieure et inférieure, chaque pièce polaire supérieure, respectivement inférieure, étant reliée par une portion étranglée (19) aux pièces polaires supérieures, respectivement inférieures, adjacentes. 8. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité annulaire de paires de pièces polaires supérieure et inférieure, chaque pièce polaire étant indépendante des pièces polaires des paires adjacentes. 9. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rotor est disposé entre les deux paires de pièces polaires.