Brevet FR2766029A1 — publié le 19990115

L'invention concerne un dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique et aimants permanents. Le principe de base repose sur le fait que deux pôles magnétiques de nature opposée s'attirent et deux pôles de nature similaire se repoussent. Considérons le cas d'un arbre menant portant un pôle nord qui fait face, à travers un entrefer à un pôle sud situé sur un arbre mené. Lorsque le pôle nord se déplace en rotation, "le pôle sud a envie de le suivre", il y a création d'un couple, et l'arbre mené est entrainé. On défaut le nombre de pôles comme le nombre de pôles nord et sud présents sur l'un des rotors. Ce nombre est nécessairement pair, puisque pôle nord et pôle sud sont appariés. Ce nombre est le même sur le rotor menant et sur le rotor mené. Tout l'art en la matière va porter sur la façon dont on crée les pôles, leur nombre et la géométrie du dispositif, et sur l'optimisation de la valeur et de la forme du couple ainsi créé. Les accouplements magnétiques assurent la liaison sans contact entre un arbre menant et un arbre mené. Cette liaison sans contact présente de nombreux avantages et autorise entre autres la présence d'une paroi étanche entre les deux arbres, les isolant physiquement l'un de l'autre. De tels dispositifs ont des applications dans toutes les industries, en particulier nucléaire, pharmaceutique, agro-alimentaire, pour le pompage. Ces dispositifs permettent également de transmettre un mouvement tout en ayant un désalignement des axes des arbres, et jouent aussi un rôle de cardan. Selon la forme des variations angulaires du couple, ils permettent également de limiter le couple transmis (phénomène de décrochage au-delà d'une certaine valeur). Il existe un certain nombre de configurations, qui peuvent se regrouper en quatre types : systèmes à entrefer cylindrique avec culasse, système s à entrefer plan avec culasse, systèmes sans culasse, systèmes sans aimants sur l'une des parties. Dans les systèmes à entrefer cylindrique avec culasse, les rotors sont cylindriques et concentriques, séparés par un entrefer qui est aussi cylindrique. Les rotors sont constitués d'aimants collés à une culasse de matériau ferromagnétique. Les aimants sont à aimantation radiale pour le dispositif et présentent des pôles alternés le long de l'entrefer. La culasse est un cylindre ferromagnétique extérieur aux aimants pour le rotor extérieur, et intérieur aux aimants pour le rotor intérieur. C'est une disposition classique qu'on rencontre avec quelques variantes. Dans le document "Application of rare earth. magnets to coaxial couplings" de D. Weimann, H. J. Wiesmann, K. Bachmann (paper No VI-1, Third International Workshop on Rare Earth-Cobalt Permanent Magnets and their Applications, University of California, San Diego, June 27-30, 1978), les aimants sont des anneaux aimantés radialement avec un nombre de pôles dépendant de l'application. Une structure plus facile à réaliser sur un plan pratique remplace les anneaux d'aimant par des tuiles aimantées non jointives. Ceci est présenté par les mêmes auteurs dans la référence citée et également par Y. Tawara, M. Honshima, K. Shinbo, I. T. Oiwa dans "Applications of precipitationhardened rare earth-cobalt magnets to torque coupling devices", paper No 11-4, Second International Workshop on Rare Earth-Cobalt Permanent Magnets and their applications, June 8-11, 1976. On retrouve également cette structure avec culasse et aimants plus ou moins parallélépipédiques aimantés pour que leur aimantation soit radiale dans le dispositif dans "Optimal design of synchronous torque couplers" de R.M. Hornreich, S. Shtrikman, IEEE Trans. Mag., Vol. 14, No. 5, pp. 800-802, Sept. 1978, ainsi que dans "Torque of a cylindrical magnetic coupling" de V. V. Fufaev, A. Ya. Krasil'nikov, Elektrotekhnika, Vol. 65, No. 8, pp. 85-89, 1994, et aussi dans "Synchronous couplings with SmCo5 magnets", W. Baran, M. Knorr, Paper No II-7, Second International Workshop on Rare Earth-Cobalt Permanent Magnets and their Applications, June 8-11, 1976. Selon l'application à laquelle ils sont dédiés ou la forme de la paroi de séparation, les dispositifs précédents ont leurs équivalents pour des entrefers plans. Les aimants présentent toujours une alternance de pôles nord et sud dans l'entrefer et leur aimantation est axiale vis-à-vis du dispositif. On les trouve présentés par D. Weimann et al., par W. Baran et al. Les aimants sont soit annulaires avec des pôles axiaux, soit en forme de tuiles ou de parallélépipèdes. Les culasses sont des disques de matériau ferromagnétique, sur lesquels sont fixés les airnants qui se font face à travers l'entrefer plan. Dans la communication "A new type of permanent magnet coupling" de J.P. Yonnet, IEEE Trans., Mag., Vol. 17, No 6, pp. 2991-2993, Nov. 1981, sont présentées des structures d'accouplement sans culasse en fer. Les dispositifs sont constitués uniquement d'aimants permanents annulaires, avec un anneau menant et un anneau mené, portant chacun une alternance de pôles nord et sud. On retrouve les structures coaxiales à entrefer cylindriques, et les structures faciales à entrefer plan. Dans chacun des cas, les aimantations peuvent être radiales ou bien axiales. Certaines structures associent plusieurs anneaux menants ou menés. Dans la publication "A magnetic coupling without parasitic force for measuring devices" de J.P. Yonnet, J. Delamare, J. Appl. Phys. 76 (10), pp. 68656867, Nov. 1994, les auteurs présentent des structures dans lesquelles les anneaux d'aimants ne portent plus une alternance de pôles nord et sud, mais ont une aimantation dont la direction change progressivement lorsqu'on se déplace le long de l'anneau. Tous les dispositifs présentés plus haut ont des aimants sur la partie menante et sur la partie menée. Le dispositif présenté par M. de Bennetot dans une publication de 1'INIST, "Déterrnination des caractéristiques d'un accouplement magnétique synchrone à aimants permanents", est constitué d'un rotor extérieur portant des aimants fixés à une culasse et ayant une pièce polaire sur leur face du côté de l'entrefer, le rotor intérieur n'étant quant à lui constitué que d'une roue dentée en fer. Le dispositif utilise le principe des machines à réluctance variable. Dans les articles "Magnetic couplings come of age", G. M. Giannini, Mechanical engineering, pp. 54-56, Nov. 1982, et "Permanent magnet couplings", C. J. Fellows, CME, pp. 79-84, June 1979, les configurations citées précédemment y apparaissent, ainsi qu'une variante du dispositif facial à culasse avec entrefer plan, dans laquelle les aimants, au lieu d'être des "cubes", sont des cylindres. L'aimantation de ces cylindres est axiale vis-à-vis du cylindre lui-même ainsi que de l'accouplement. Dans le cas des accouplements à entrefer cylindrique, les aimants ont de façon connue la forme de pavés parallélépipédiques ou de tuiles. Ces formes nécessitent l'usinage de pièces pour deux à quatre de leurs faces. Tous les aimants modernes (ferrites, terres-rares cobalt, fer néodyme bore) sont des matériaux frittés dont l'usinage est difficile. Ce sont des matériaux très durs, abrasifs et friables, de plus leur aimantation résiduelle fait que les copeaux restent collés sur les aimants et les outils d'usinage. De plus, certains de ces aimants sont très oxydables et ne peuvent être usinés que sous gaz inerte. L'invention a pour but de proposer un dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à aimants permanents, qui remédie aux inconvénients des dispositifs de l'état de la technique, qui soit d'un usinage facile. L'invention a pour objet un dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique dans lequel les pôles sont à aimants permanents sur arbre mené et menant, caractérisé en ce que les aimants sont cylindriques d'axe parallèle à l'axe de rotation. Dans un premier mode de réalisation au moins un aimant a une aimantation parallèle à l'axe de rotation. Dans un autre mode de réalisation au moins un aimant a une aimantation perpendiculaire à l'axe du cylindre d'aimant. Chaque pôle peut être constitué d'un aimant ou d'au moins deux aimants, arbre menant et mené ayant le même nombre d'aimants, ou d'au moins un aimant, arbre menant et mené ayant un nombre différent d'aimants. Les directions d'aimantation peuvent être identiques ou différentes sur arbre mené et/ou menant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, et des figures annexées parmi lesquelles -la figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif d'accouplement magnétique selon l'invention à entrefer cylindrique et à aimants cylindriques; -la figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec deux paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 3 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec trois paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 4 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec quatre paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 5 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec cinq paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 6 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec six paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 7 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec sept paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 8 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale avec huit paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 9 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, où les aimants de l'arbre menant ont une section différente de celle des aimants de l'arbre mené; -la figure 10 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, où les aimants de l'arbre menant ont une hauteur différente de celle des aimants de l'arbre mené; -la figure 11 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et deux aimants par pôle; -la figure 12 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec deux paires de pôles et deux aimants par pôle; -la figure 13 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec trois paires de pôles et deux aimants par pôle; -la figure 14 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec quatre paires de pôles et deux aimants par pôle; -la figure 15 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et trois aimants par pôle; -la figure 16 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec deux paires de pôles et trois aimants par pôle; -la figure 17 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec trois paires de pôles et trois aimants par pôle; -la figure 18 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et quatre amants par pôle; -la figure 19 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec deux paires de pôles et quatre aimants par pôle; -la figure 20 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et cinq aimants par pôle; -la figure 21 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et six aimants par pôle; -la figure 22 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et sept aimants par pôle; -la figure 23 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, avec une paire de pôles et huit aimants par pôle; -la figure 24 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation axiale, où le nombre d'aimants de l'arbre menant est différent du nombre d'aimants de l'arbre mené; -la figure 25 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation diamétrale radiale, avec sept paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 26 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation diamétrale tangentielle, avec sept paires de pôles et un aimant par pôle; -la figure 27 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation diamétrale alternativement tangentielle et radiale, avec quatre paires de pôles et deux aimants par pôle; -la figure 28 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation diamétrale avec rotation régulière d'un aimant à l'autre, avec deux paires de pôles et trois aimants par pôle; -la figure 29 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation diamétrale avec rotation régulière d'un aimant à l'autre, avec une paire de pôles et quatre aimants par pôle; -la figure 30 représente un mode de réalisation de l'invention à aimantation diamétrale avec rotation régulière d'un aimant à llåutre, avec deux paires de pôles et quatre aimants par pôle; Dans le dispositif d'accouplement magnétique selon l'invention, les arbres 1 et 2 ou rotors menant et mené sont coaxiaux, l'un étant intérieur, l'autre extérieur. L'entrefer entre les deux rotors est cylindrique. L'effet d'entrainement est dû à l'interaction des faces supérieures et inférieures alternativement nord et sud des arbres menant et mené.Les aimants sur le rotor menant et sur le rotor mené peuvent être en attraction, un pôle nord face à un pôle sud ou bien en répulsion, un pôle nord face à un pôle nord. Les aimants ne nécessitent pas d'usinage spécifique, les pièces supports de ces aimants sont simples à usiner, et celles-ci sont en matériaux amagnétiques ; ces pièces peuvent être réalisées avec des matériaux économiques comme les matières plastiques ou avec des matériaux possédant de grandes qualités mécaniques comme le titane Le mode de réalisation d'un dispositif d'accouplement magnétique selon l'invention représenté sur la figure 1 utilise des aimants cylindriques 3 à entrefer cylindrique ; l'aimantation est axiale vis à vis des cylindres d'aimant etdonc parallèle à l'axe de rotation. Les figures 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 montrent des modes de réalisation de l'invention possédant respectivement 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 paires de pôles, chaque pôle étant constitué d'un aimant. Dans une autre variante de réalisation de l'invention, les aimants de l'arbre menant et de l'arbre mené ont des dimensions différentes. La figure 9 montre un accouplement à 16 aimants dont les aimants de l'arbre extérieur sont de section supérieure à ceux de l'arbre intérieur. Les aimants, qu'ils soient ou non de même section, peuvent être de hauteurs différentes, comme cela est indiqué sur la figure 10. Dans une autre variante de réalisation, chaque pôle magnétique est constitué de plusieurs aimants disposés dans le même sens ; les arbres menant et mené possèdent le même nombre d'aimants. Les figures 11, 12, 13 et 14 représentent des accouplements à respectivement une, deux, trois et quatre paires de pôles, chaque pôle étant constitué de deux aimants. Les figures 15, 16 et 17 représentent des accouplements à respectivement une, deux et trois paires de pôles, chaque pôle étant constitué de trois aimants. Les figures 18 et 19 représentent des accouplements à respectivement une et deux paires de pôles, chaque pôle étant constitué de quatre aimants. Les figures 20, 21, 22 et 23 représentent des accouplements à une paire de pôles, chaque pôle étant constitué de respectivement cinq, six, sept et huit aimants. Dans une autre variante, les pôles magnétiques des deux arbres ne sont pas constitués du même nombre d'aimants. La figure 24 montre le dispositif selon l'invention avec deux paires de pôles, l'arbre extérieur possède quatre aimants par pôle, l'arbre intérieur trois aimants par pôle. Le dispositif selon l'invention peut regrouper plusieurs variantes. Un autre mode de réalisation de l'invention utilise des aimants cylindriques à aimantation diamétrale radiale vis à vis des cylindres d'aimants; l'axe d'aimantation est donc perpendiculaire à l'axe de rotation. La figure 25 montre un dispositif selon l'invention, comportant sept paires de pôles, un aimant par pôle sur les deux arbres ; les aimants ont leur axe d'aimantation disposé radialement. La figure 26 semblable à la précédente montre les aimantations orientées tangentiellement par rapport à l'entrefer. Conme pour le premier mode de réalisation chaque pôle magnétique peut être formé de plusieurs aimants. Les aimants d'un même pôle peuvent aussi avoir des directions différentes par rapport à l'entrefer. La figure 27 est un accouplement à quatre paires de pôles, chaque pôle comprend deux aimants, l'un orienté radialement, l'autre tangentiellement. La figure 28 décrit un accouplement à deux paires de pôles, chaque pôle comprenant trois aimants; la direction de l'axe d'orientation des aimants de chaque pôle est décalée angulairement de manière régulière par rapport à l'entrefer sur l'arbre mené etlou menant. Les figures 29 et 30 représentent des accouplements, respectivement à une et deux paires de pôles, à quatre aimants par pôle, dont les directions d'aimantation par rapport à l'entrefer varient de façon régulière. Pour tous les modes de réalisation ci-dessus, les aimants des arbres menant et mené peuvent être de sections différentes. Les aimants des arbres menant et mené peuvent aussi être de hauteurs différentes. Le nombre d'aimants par pôle peut être différent sur l'arbre intérieur et sur l'arbre extérieur. Toutes autres combinaisons des variantes de l'invention non représentées sur les figures sont également possibles. REVENDICATIONS 1.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique dans lequel les pôles sont à aimants permanents sur arbre mené et menant, caractérisé en ce que les aimants sont cylindriques d'axe parallèle à l'axe de rotation. 2.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique dans lequel les pôles sont à aimants permanents sur arbre mené et menant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un aimant a une aimantation parallèle à l'axe de rotation. 3.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique dans lequel les pôles sont à aimants permanents sur arbre mené et menant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un aimant a une aimantation perpendiculaire à l'axe du cylindre d'aimant. 4.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque pôle est constitué d'un aimant. 5.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque pôle est constitué d'au moins deux aimants, arbre menant et mené ayant le même nombre d'aimants 6.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque pôle est constitué d'au moins un aimant, arbre menant et mené ayant un nombre différent d'aimants. 7.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les directions des aimantations sont identiques sur arbres menant et mené. 8.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les directions des aimantations sont différentes sur l'arbre mené et/ou menant. 9.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon la revendication 8, caractérisé en ce que les directions des aimantations sont angulairement décalées d'une manière régulière sur l'arbre mené et/ou menant. 10.Dispositif d'accouplements magnétiques synchrones à entrefer cylindrique à aimants permanents sur arbre mené et menant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'aimant ou les aimants de l'arbre mené ont une taille différente de celle de l'aimant ou des aimants de l'arbre menant.