Brevet FR2728738A1 — publié le 19960628

La présente invention concerne un ensemble tournant comportant un stator et un rotor d'axe A, des moyens moteurs d'entraînement en rotation, des moyens de sustentation 5 radiaux et une butée axiale magnétique active comprenant un circuit magnétique en deux parties dont l'une est fixe et liée audit stator et l'autre mobile et liée audit rotor et séparées l'une de l'autre par deux entrefers plans parallèles, chaque partie dudit circuit magnétique étant de10 révolution, d'axe A, et dont la forme est celle qui résulte de la rotation autour dudit axe A d'un profil ouvert en forme de U, les extrémités de chaque partie du circuit magnétique formant deux surfaces planes constituant deux couronnes circulaires et concentriques centrées sur l'axe àI5 et perpendiculaires à cet axe, les extrémités ouvertes des deux parties de circuit magnétique se faisant face, une bobine électrique de butée axiale étant logée dans l'espace annulaire interne de la partie fixe dudit circuit magnétique.20 L'invention s'applique, en particulier, aux pompes à vide telles que les pompes turbomoléculaires à ailettes ou du type Holweck. Elle a pour objet la réduction de l'encombrement de l'ensemble, la simplification du montage, la réduction des coûts. L'invention a ainsi pour objet un ensemble tournant tel que définie cidessus, caractérisé en ce qu'un bobinage statorique moteur, lié à ladite bobine de butée axiale et logée dans l'espace annulaire interne de la partie mobile30 dudit circuit magnétique coopère avec des aimants permanents fixés à la partie mobile dudit circuit magnétique en regard dudit bobinage statorique moteur. Selon une réalisation particulière, ledit bobinage statorique moteur est un bobinage monophasé à quatre bobines formant deux paires de pôles d'axes perpendiculaires à l'axe A, alimenté en courant alternatif par un onduleur autocommuté par une cellule à effet Hall détectant la position angulaire du rotor. Selon une autre caractéristique, et afin d'assurer le calage angulaire du rotor à l'arrêt pour imposer le couple maximal au démarrage et le sens de rotation, un aimant permanent est placé au centre d'au moins une bobine dudit bobinage statorique moteur, la polarité dudit aimant étant tangentielle. On va maintenant donner la description d'un exemple particulier de mise en oeuvre de l'invention en se référant au dessin annexé dans lequel: La figure 1 représente une pompe turbomoléculaire constituant une application particulière d'un ensemble tournant selon l'invention.15 La figure 2 représente, extrait de la figue 1, les moyens moteurs d'entraînement en rotation et la butée axiale active, de l'ensemble tournant, en coupe selon II-II de la figure 3. La figure 3 est une coupe selon III-III de la figure 2 montrant la position à l'arrêt. La figure 4 est la même que la figure 3 mais au moment du démarrage avec indication de la polarité des bobines du bobinage statorique à ce moment et indication du sens de rotation.25 La figure 5 montre la position de la partie rotorique au moment de la commutation du sens du courant dans le bobinage et donc du sens de polarité des bobines du bobinage. La figure 6 représente une schéma bloc simplifié de l'alimentatin du bobinage statorique moteur. La figure 1 représente donc une application particulière de l'invention. Il s'agit ici d'une pompe turbomoléculaire. La pompe comprend un stator 1 et un rotor 2 d'axe A. Le stator comprend une pluralité d'orifices d'aspiration 3 et un orifice de refoulement 4. Le rotor est entraîné en rotation par un moteur synchrone à aimants permanents et il est suspendu magnétiquement au moyen d'une butée axiale magnétique active et de deux paliers radiaux décalés le long de l'axe A. Il 5 s'agit de deux centreurs magnétiques passifs montés en attraction comprenant chacun deux bagues annulaires aimantées axialement en sens inverse 5 et 6 (5' et 6') sur le rotor et deux bagues annulaires aimantés axialement en sens inverse 7 et 8 (7' et 8') sur le stator. Chaque10 centreur magnétique passif comporte en outre, sur la partie statorique, un amortisseur passif à courants de Foucault. Il s'agit par exemple d'une rondelle de cuivre, respectivement 9 et 9'. On va maintenant décrire en se référant plus particulièrement aux figures 2 et 3 le moteur d'entraînement en rotation et la butée magnétique axiale active combinée qui sont le propre de l'invention par leur combinaison permettant une diminution de l'encombrement et du coût. La butée magnétique axiale active comprend un circuit magnétique en deux parties 10 et 11, séparées l'une de l'autre par deux entrefers 12 et 12A. Comme on le voit sur la figure 1, la partie 10 est liée au stator et donc fixe et la partie 11 est liée au rotor et donc mobile.25 Les entrefers 12 et 12A sont plans et parallèles mais pas nécessairement dans le même plan ni de la même valeur. Chacune des deux parties 10 et 11 du circuit magnétique est de révolution, d'axe A et sa forme est celle qui résulte de la rotation autour de l'axe A d'un profil 1330 (13') ouvert en forme de U. Les extrémités ouvertes des deux parties 10 et 11 du circuit magnétique se font face et ces extrémités forment, pour chaque partie une surface plane constituant deux couronnes circulaires coplanaires et concentriques centrées sur l'axe A et perpendiculaire à cet35 axe. Ces deux couronnes sont identiques aux couronnes repérées 14 et 15 sur la figure 3 et correspondant au plan de coupe repéré III-III sur la figure 2. A l'intérieur de l'espace annulaire interne de la partie statorique 10 du circuit magnétique est logée une bobine électrique 16 de butée axiale. 5 Pour commander l'intensité du courant dans cette bobine électrique, on utilise l'information fournie par un détecteur de position axiale 17 disposé sur le stator (voir figure 1). Comme la butée axiale est attractive, on s'arrange pour que le zéro de position du rotor dans le stator soit décalé vers le haut de façon à créer une attraction du rotor vers le haut par le palier supérieur 5, 6, 7, 8. Le courant dans la bobine 16 de butée axiale provoquant une attraction vers le bas équilibrant cette attraction vers le haut.15 Le moteur d'entraînement en rotation comporte un circuit magnétique rotorique, il s'agit de la partie mobile 11 du circuit magnétique précédemment décrit. Ainsi le moteur d'entraînement utilise une partie du circuit magnétique de la butée axiale active.20 Ce moteur est un moteur synchrone à aimants permanents. Dans l'exemple décrit on a quate aimants permanents 18, 19, 20 et 21 fixés à cette partie mobile 21 du circuit magnétique à l'intérieur de l'espace annulaire interne 26 de cette partie de circuit magnétique. Le moteur25 comprend en outre un bobinage statorique monophasé à quatre bobines 22, 23, 24 et 25 montées en série de façon à former deux paires de pôles. Ces bobines sont situées dans l'espace annulaire interne 26 de la partie mobile 11 du circuit magnétique, en regard des aimants 18 à 21 et coopérant avec30 eux. L'axe des bobines 22 à 25 est perpendiculaire à l'axe A. L'ensemble des bobines 22 à 25 du moteur et de la bobine 16 de la butée axiale est noyée dans une résine. Ainsi l'ensemble forme un bloc rigide. Ce bobinage, constitué des quatre bobines 22 à 25 est alimenté en courant alternatif par un onduleur 27 (figure 6) autocommuté par un capteur à effet Hall 28 détectant la position angulaire du rotor. La vitesse de rotation du moteur est déterminée par la tension continue U d'alimentation de l'onduleur 27 qui peut être fixe ou variable selon que l'on souhaite une vitesse de rotation fixe ou variable. Comme on le voit sur la figure 3, le capteur à effet Hall 28 est placé entre deux bobines du bobinage statorique. Dans l'exemple, entre les bobines 24 et 25.10 Enfin, pour fixer le sens de rotation de la machine au démarrage avec un couple maximal, le rotor est calé angulairement à l'arrêt par le moyen de petits aimants permanents 29, 30, 31 et 32 placés chacun et respectivement au centre d'une bobine 22, 23, 24 et 25. Leur aimantation15 est tangentielle comme l'indique les flèches. A noter que sur toutes les figures les flèches indiquent le sens de la polarité des aimants permanents ou des bobines (figure 4) sauf la flèche F de la figure 4 qui indique le sens de rotation.20 On a placé quatre aimants permanents 29, 30, 31 et 32 pour fixer angulairement le rotor à l'arrêt. Cependant un seul est nécessaire pour fixer cette position. L'emploi de quatre aimants a pour but d'équilibrer l'ensemble en annulant les efforts radiaux de décentrement du rotor. Sur la figure 3, on a représenté le rotor dans sa position angulaire à l'arrêt. Les bobines 22 à 25 ne sont donc pas alimentées. Sur la figure 4 on est dans la même position mais au moment du démarrage, les bobines 22 à 25 sont alimentées de telle sorte que les polarités sont celles indiquées par les flèches et il en résulte le démarrage dans le sens de rotation indiquée par la flèche F. Enfin, sur la figure 5, on veut seulement montrer la position du rotor au moment de la commutation dans les bobines, commandée par l'information fournie par le capteur à effet Hall 28 détectant une inversion de polarité du champ magnétique lorsqu'arrive devant lui l'aimant 18. Ainsi, grâce à la disposition combinée du moteur et de la butée axiale, on arrive à obtenir une réduction appréciable du volume. Le montage est très simple et le coût réduit. Il n'y a en outre aucune interaction radiale entre le rotor et le stator puisque les bobines 22 à 25 sont dans l'air, sans fer. A la partie inférieure de la pompe est situé un connecteur électrique 33 pour les alimentations électriques. REVENDICATIONS 1) Ensemble tourant comportant un stator (1) et un rotor (2) d'axe A, des moyens moteurs d'entraînement en rotation, des moyens de sustention radiaux et une butée 5 axiale magnétique active comprenant un circuit magnétique en deux parties dont l'une (10) est fixe et liée audit stator (1) et l'autre (11) mobile et liée audit rotor (2) et séparées l'une de l'autre par deux entrefers plans parallèles (12, 12A) chaque partie dudit circuit magnétique10 étant de révolution, d'axe A, et dont la forme est celle qui résulte de la rotation autour dudit axe A d'un profil (13) ouvert en forme de U, les extrémités de chaque partie du circuit magnétique formant deux surfaces planes constituant deux couronnes circulaires (14, 15) concentriques centrées15 sur l'axe A et perpendiculaires à cet axe, les extrémités ouvertes des deux parties de circuit magnétique se faisant face, une bobine électrique (16) de butée axiale étant logée dans l'espace annulaire interne de la partie fixe (10) dudit circuit magnétique, caractérisé en ce qu'un bobinage20 statorique moteur, lié à ladite bobine (16) de butée axiale et logé dans l'espace annulaire interne (26) de la partie mobile (11) dudit circuit magnétique coopère avec des aimants permanents (18 à 21) fixés à la partie mobile (11) dudit circuit magnétique en regard dudit bobinage statorique25 moteur. 2) Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit bobinage statorique moteur est un bobinage monophasé, à quatre bobines (22 à 25) formant deux paires de pôles d'axes perpendiculaires à l'axe A, alimenté en courant30 alternatif par un onduleur (27) autocommuté par une cellule à effet Hall (28) détectant la position angulaire du rotor. 3) Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit capteur à effet Hall (28) est situé entre deux pôles consécutifs (24, 25) dudit bobinage.35 4) Ensemble selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un aimant permanent (29, 30, 31, 32) est placé au centre d'au moins une bobine dudit bobinage, la polarité dudit aimant étant tangentielle. 5) Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de sustentation radiaux comprennent deux centreurs magnétiques passifs (5 à 8 et 5' à 8') axialement décalés le long de l'axe A. 6) Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le courant dans ladite bobine (16) de butée axiale est commandée à partir d'une information10 fournie par un détecteur (17) de position axiale. 7) Ensemble selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit stator et ledit rotor sont un stator et un rotor de pompe à vide.