Brevet FR2776037A1 — publié le 19990917

La présente invention concerne une structure formant palier pour un dispositif rotatif tel que des moteurs et analogues, par laquelle un faible bruit et une longue durée de service peuvent être fournis à faible coût sur une gamme d'une rotation à faible vitesse à une rotation à vitesse superélevée et, plus particulièrement, une structure de palier pour des dispositifs de petite dimension tels que des moteurs de ventilateur à vitesse élevée, des moteurs de scanner et analogues, pour lesquels un faible bruit, une durée de service longue et une stabilité élevée sont demandés. Des paliers à pression d'air dynamique et des paliers magnétiques ont été utilisés en pratique en tant que paliers du type sans contact pour supporter un arbre rotatif à vitesse élevée. Ceux-ci fournissent un support dans une direction radiale avec pression d'air existant entre un arbre et un manchon, mais se comportent dans une gamme de vitesses de rotation faibles de la même manière que des paliers du type à contact, laissant subsister un problème qu'une abrasion se produit à chaque démarrage et chaque arrêt. Par ailleurs, des paliers magnétiques sont construits pour fournir un support dans une direction radiale ou une direction axiale par l'utilisation de forces d'attraction ou de forces de répulsion d'aimants. Cependant, des paliers magnétiques radiaux construits pour obtenir une force centripède par l'utilisation de forces de répulsion d'aimants produiront simultanément des forces excentriques dans une direction axiale et des paliers magnétiques axiaux construits pour supporter une charge axiale par l'utilisation de forces d'attraction ou de forces de répulsion d'aimants produiront simultanément des forces excentriques dans une direction radiale. De ce fait, il est difficile de réaliser le support simultanément à la fois en direction radiale et axiale avec une combinaison de seulement d'aimants permanents, et aussi il est nécessaire d'accomplir une commande d'excitation utilisant un électro-aimant pour l'une ou l'autre des directions radiale et axiale, présentant ainsi un problème de structure complexe et de coût élevé. Le but de la présente invention est de réaliser une structure de palier qui réalise un palier de faible bruit, de longue durée de service et de fiabilité élevée même à des vitesses élevées et à faible coût. Pour résoudre le problème ci-dessus et atteindre le but ci-dessus, la structure de palier porte une charge radiale sur un rotor par un ou deux jeux de paliers magnétiques radiaux, supprime des forces produites par les paliers magnétiques dans une direction axiale l'un à l'autre ou supprime des forces comprenant des forces exercées de l'extérieur dans la direction axiale. Une structure de palier selon la présente invention comprend un ou deux jeux de paliers magnétiques pour supporter radialement un rotor d'un dispositif rotatif à deux points de support d'une manière sans contact par des forces magnétiques, les paliers magnétiques étant agencés de telle sorte que des forces de poussée agissent en directions axiales opposées et un pivot disposé sur un axe du rotor pour porter une extrémité d'arbre du rotor à un point tout en déplaçant l'extrémité d'arbre dans une direction axiale à partir d'une position neutre o toutes les forces de poussée agissant sur le rotor s'équilibrent. La structure de palier selon la présente invention présente les effets suivants. La structure de palier comprend des paliers magnétiques disposés de sorte que les forces de poussée agissent en directions axiales opposées et un pivot déplacé par rapport à une position neutre pour porter une extrémité d'arbre du rotor, de sorte que des forces de poussée agissent sur le pivot selon des déplacements à partir de la position neutre pour permettre le support dans une condition quasi sans contact au voisinage de la position neutre pour permettre de la sorte une rotation en condition de support à faible friction et faible bruit sur toute la gamme de vitesses. De ce fait, le palier à pivot supporte peu de friction et résiste de façon adéquate à une rotation à vitesse extrêmement élevée pour ne produire aucun bruit. En outre, la rotation est effectuée dans une condition sans contact dans la direction radiale pour réaliser une action d'auto-alignement efficace, ce qui est grandement avantageux en autocorrection de perte dans l'équilibre dynamique pour ne produire aucune vibration. Egalement, la structure de palier est réalisée de façon très simple pour effectuer un support de haute performance à faible coût. La prévision d'un moyen d'arrêt pour limiter des déplacements du rotor dans la direction axiale dans une gamme de déplacements o les forces de poussée portées par le rotor sont dans la même direction permet un support de poussée stable même lorsque le rotor se déplace dans la direction axiale. Au moins l'un des points de support du rotor sert comme palier magnétique du type à attraction pour permettre d'obtenir une grande rigidité de support radiale, permettant de la sorte de réaliser le palier de construction à petite dimension et le palier magnétique du type à attraction comprend des aimants côté stator et côté mobile prévus en agençant de manière concentrique et espacés l'un de l'autre deux aimants en forme d'anneau magnétisés dans la direction axiale avec des directions de magnétisation de ceux-ci opposés l'une à l'autre, les deux aimants étant opposés l'un à l'autre afin de s'attirer dans la direction axiale, de sorte qu'un trajet magnétique fermé sans fuite de flux magnétique est formé pour permettre de réaliser une grande rigidité radiale due au flux magnétique de densité élevée. Au moins l'un des points de support pour le rotor sert comme palier magnétique du type à répulsion pour permettre d'assurer une liberté en constitution afin d'insérer le rotor du côté palier ou support dans la direction axiale pour un assemblage facile du rotor. En outre, le palier magnétique du type à répulsion comprend des aimants côté stator et côté mobile prévus en agençant d'une manière linéaire et espacés les uns des autres plusieurs aimants en forme d'anneau magnétisés dans la direction axiale avec des directions de magnétisation de ceux-ci qui sont les mêmes, les deux aimants étant opposés l'un à l'autre afin de se repousser dans la direction radiale, de sorte qu'une force de support forte peut être assurée simplement par un traitement de polarisation collectif en un procédé unique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure de palier selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure de palier selon un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la partie de palier représentée en figure 4; - la figure 6 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 5; - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure de palier selon un troisième mode de réalisation de l'invention; et - la figure 8 est une vue en coupe longitudinale représentant une condition de déplacements dans la structure de palier. Les figures 1 à 3 représentent un premier mode de réalisation de la présente invention, dans lequel un palier magnétique radial est du type à attraction axiale. Les figures 4 à 6 représentent un second mode de réalisation de la présente invention, dans lequel un palier magnétique radial est du type à répulsion radiale. En outre, une partie fixe ou stationnaire, une armature ou des charges sur celle-ci (ventilateur, miroir en polygone et analogue), qui doivent être montées de façon inhérente sur un stator et un rotor, sont omis dans les dessins annexés. Des exemples spécifiques de l'invention seront décrits ci-dessous. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure de palier selon un premier mode de réalisation de l'invention. La structure de palier est un exemple qui utilise un palier magnétique radial du type à attraction axiale, dans lequel un rotor 1 est supporté par des paliers magnétiques 3, 4 à deux emplacements pour pouvoir tourner par rapport à un stator 2. Un aimant 3a côté mobile conformé en cylindre, magnétisé dans une direction axiale, est fixé à une extrémité du rotor 1 et un aimant 3b côté stator conformé en cylindre, magnétisé de façon similaire dans la direction axiale, est fixé au stator 2 pour faire face à l'aimant côté mobile 3a avec un espace G1 de sorte que l'aimant côté mobile 3a et l'aimant côté stator 3b s'attirent l'un à l'autre pour constituer le palier magnétique radial 3. De façon similaire, le palier magnétique radial 4 est constitué par un aimant côté mobile 4a fixé à l'autre extrémité du rotor 1 et un aimant côté stator 4b fixé au stator 2 avec un espace G2 (G2>G1) de sorte que l'aimant côté mobile et l'aimant côté stator s'attirent l'un vers l'autre. Un palier de pivot 5 est constitué par un corps en bille 5a placé entre un évidement 5b, qui est prévu sur une surface d'extrémité du rotor 1 pour être concentrique avec un arbre rotatif 7, et une portion de palier de pivot 5c prévue sur un côté du stator 2. En outre, un moyen d'espacement 6 en forme d'anneau réalisé en un matériau non magnétique et ayant une épaisseur G3 (G3 radial 4. Par un tel agencement, le palier magnétique radial 3 donne au rotor 1 une force centripète dans une direction radiale et applique une force d'attraction F1 au rotor i dans une direction gauche dans un plan de la figure. Similairement, le palier magnétique radial 4 donne au rotor 1 une force centripète dans la direction radiale et applique une force d'attraction F2 au rotor en direction à droite dans un plan de la figure. Les forces F1 et F2 naturellement dépendent des dimensions et des caractéristiques magnétiques des deux paliers magnétiques radiaux 3 et 4, et dépendent également des espaces ou intervalles respectifs G1, G2 prévus de telle sorte que des dimensions et des caractéristiques magnétiques sont les mêmes. Par cet agencement, l'espace G2 est supérieur à l'espace G1, de sorte que la force F1 excède la force F2 et une différence entre les forces F1 et F2 est exercée sur le palier de pivot 5. Si l'espace G2 approche G1, c'est-à-dire, au voisinage d'une position neutre o des forces de poussée s'équilibrent, une force agissant sur le palier de pivot 5 approche zéro pour permettre de réaliser une condition quasi sans contact. Egalement, dans le cas o un poids mort du rotor lui-même ou une force externe à l'état repos F3 telle qu'une force de réaction provoquée par soufflage d'un ventilateur agit dans la direction axiale du rotor 1, une somme de vecteurs (F1 + F2 + F3) des forces F1, F2 et F3 peut être réduite de façon optionnelle en établissant convenablement les dimensions, les caractéristiques magnétiques et les espaces, respectivement, des paliers magnétiques 3 et 4. Le rôle du moyen d'espacement 6 sera décrit ci- dessous. Dans le cas de la condition quasi sans contact décrite cidessus, mais pour le moyen d'espacement 6, une légère force de poussée de l'extérieur déplace le rotor 1 vers la droite pour présenter la relation G2 lorsque la force disparait. En outre, avec un moteur à ventilateur du type mince ou analogue, un support à deux points peut être assuré en formant les deux aimants côté mobile 3a, 4a intégralement dans l'agencement décrit ci- dessus et constituant trois aimants en un groupe afin de produire des forces de support, respectivement, aux deux extrémités de l'aimant côté mobile intégral et une action similaire est apparemment effectuée. Ainsi, une explication pour cela est omise. La figure 2 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 1. Des parties similaires à celles dans la constitution ci- dessus seront désignées ci-dessous par les mêmes chiffres de référence. Ainsi, une explication de celles est omise. Dans la description ci-dessus, un palier magnétique radial unique comprend un aimant côté mobile unique et un aimant côté stator unique, dont tous les deux sont opposés l'un à l'autre tandis que la structure de support représentée en figure 2 comprend un aimant côté mobile et un aimant côté stator, dont chacun comprend plusieurs aimants en forme de cylindre pour permettre d'améliorer une rigidité radiale. Deux aimants côté mobile 3a, 3aa sont agencés concentriquement sur une culasse arrière 31 avec des directions de magnétisation de ceux-ci opposées l'une à l'autre et de façon similaire deux aimants côté stator 3b, 3bb sont agencés concentriquement sur une culasse arrière 32 avec des directions de magnétisation de ceux- ci opposées l'une à l'autre. Un flux magnétique produit par les aimants forme une boucle sans fuite comme représenté par une flèche à la figure pour être élevée en densité de flux magnétique dans les espaces, de sorte que la rigidité radiale augmente plus qu'attendue par l'utilisation de plusieurs aimants. La figure 3 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 2. La structure de palier comprend l'aimant côté mobile 3a et l'aimant côté stator 3b, qui sont magnétisés dans la direction radiale, pour former un palier magnétique radial du type à attraction axiale. Par cet agencement, le but de la présente invention peut être atteint comme dans la constitution décrite ci-dessus, dans laquelle le palier magnétique radial comprend des aimants magnétisés dans la direction axiale. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure de palier selon un second mode de réalisation de l'invention. La structure de palier est construite de sorte que l'aimant côté mobile conformé en cylindre 3a magnétisé dans la direction axiale est fixé à une extrémité du rotor 1 et l'aimant côté stator conformé en cylindre 3b magnétisé de façon similaire dans la direction axiale est concentriquement fixé au stator 2 avec un espace de sorte que l'aimant côté mobile 3a et l'aimant côté stator 3b se repoussent l'un de l'autre dans la direction radiale pour constituer un palier magnétique radial 3. De façon similaire, le palier magnétique radial 4 comprend l'aimant côté mobile 4a fixé à l'autre extrémité du rotor 1 et l'aimant côté stator 4b fixé au stator 2. En outre, l'aimant côté mobile 3a est disposé pour être décalé à une distance de décalage L1 à gauche par rapport à l'aimant côté stator 3b et l'aimant côté mobile 4a est disposé pour être décalé à une distance de décalage L2 (L2 d'une surface d'arrêt 9 prévue sur le stator 2. Cependant, les distances de décalage Li, L2 s'étendent dans une limite prédéterminée, dans laquelle des forces de support radiales sont effectivement obtenues. Par l'agencement utilisant un tel palier magnétique radial du type à répulsion radiale, le palier magnétique radial 3 donne au rotor 1 une force centripète dans la direction radiale et applique simultanément une force de répulsion F1 au rotor dans une direction à gauche dans un plan de la figure. De façon similaire, le palier magnétique radial 4 donne au rotor 1 une force centripète dans la direction radiale et applique simultanément une force de répulsion F2 au rotor dans une direction à droite dans un plan de la figure. Les forces F1 et F2 dépendent naturellement des dimensions et des caractéristiques magnétiques des deux paliers magnétiques radiaux et dépendent des distances de décalage L1, L2 dans la direction axiale pourvu que de telles dimensions et caractéristiques soit les mêmes. Par cet agencement, puisque Ll quasi sans contact. Egalement, dans le cas o un poids mort du rotor lui-même ou une force externe à l'état de repos F3 telle qu'une force de réaction causée par soufflage d'un ventilateur agit dans la direction axiale du rotor 1, une somme de vecteurs (F1 + F2 + F3) des forces F1, F2 et F3 peut être optionnellement réduite en établissant convenablement les dimensions, les caractéristiques magnétiques et une relation de position entre l'aimant côté mobile et l'aimant côté stator. Un espace L3 entre les surfaces d'arrêt 8 et 9 sera décrit ci-dessous. Alors que les surfaces d'arrêt 8, 9 sont prévues pour empêcher le rotor 1 de se séparer du stator 2, dans le cas de la condition quasi sans contact décrite ci-dessus, une légère force de poussée de l'extérieur déplace le rotor 1 vers la droite pour présenter la relation L2 position d'origine même si la force externe disparaît. Pour faire face à cela, si L3 est établi pour présenter (L1 - L2) lorsque la force disparaît. La figure 5 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 4. La structure de palier comprend deux aimants côté mobile conformés en cylindre 3a, 3aa, qui sont magnétisés dans la direction axiale et prévus sur le rotor 1 avec un espace entre eux et deux aimants côté stator conformés en il cylindre 3b, 3bb prévus de façon similaire sur le stator. De cette manière, étant constituée par une pluralité d'aimants conformés en cylindre, respectivement, la structure de support peut être améliorée en rigidité radiale à cause des grandes forces magnétiques obtenues à partir d'un simple traitement de magnétisation dans un procédé unique, au contraire du palier magnétique radial décrit ci-dessus, dans lequel un seul aimant côté mobile et un seul aimant côté stator sont concentriquement agencés. La figure 6 est une vue en coupe représentant une partie essentielle d'une autre constitution de la structure de palier représentée en figure 5. La structure de palier comprend un palier magnétique radial du type à répulsion radiale comprenant l'aimant côté mobile 3a et l'aimant côté stator 3b, qui sont magnétisés dans la direction radiale. Par l'agencement utilisant de tels aimants magnétiques dans la direction radiale, le but de l'invention peut être atteint comme dans la constitution décrite ci-dessus, dans laquelle le palier magnétique radial comprend des aimants magnétisés dans la direction axiale. En outre, le palier magnétique ci-dessus du type à répulsion radiale peut assurer une liberté en constitution puisqu'il est possible d'insérer le rotor du côté stator pour un assemblage facile du rotor, en réalisant un diamètre interne sur le côté stator d'une dimension qui excède le diamètre maximum du rotor. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure de palier selon un troisième mode de réalisation de l'invention et la figure 8 est une vue en coupe longitudinale représentant une condition de déplacements dans la structure de palier. La structure de palier comprend, à la place du moyen d'espacement dans la structure de palier représentée en figure 1, des paliers de pivot 5, 5 prévus aux deux extrémités axiales du rotor 1, qui supporte un miroir rotatif 11 et analogue, pour définir un espace ayant une longueur L dans une direction axiale du rotor 1. L'espace ayant une longueur L est réalisé pour avoir une dimension dans une gamme pouvant recevoir des différences dimensionnelles d'assemblage d'éléments constituant respectifs et des différences dimensionnelles dues à des dilatations thermiques et une position neutre o des forces de poussée produites par les paliers magnétiques 3, 4 à deux points s'équilibrent les unes avec les autres est située sensiblement à mi- chemin de l'espace. Par l'agencement ci-dessus, les deux forces agissant sur les paliers de pivot 5, 5 peuvent être réalisées de façon infiniment petite, de sorte qu'une condition quasi sans contact peut être réalisée et une précision peut être assurée pour la structure dans la direction axiale du rotor. Dans la description ci-dessus, deux jeux ou groupes de paliers radiaux sont du même type, mais ceci n'est pas nécessaire et il va s'en dire qu'une combinaison de types optionnels est possible. La structure de palier selon l'invention présente les effets suivants. La structure de support comprend des paliers magnétiques disposés de sorte que des forces de poussée agissent en direction axiale opposée et un pivot est déplacé par rapport à une position neutre pour porter une extrémité d'arbre du rotor, de sorte que des forces de poussée agissent sur le pivot selon des déplacements à partir de la position neutre pour permettre un support dans une condition quasi sans contact au voisinage de la position neutre pour permettre de la sorte une rotation en condition de support à faible friction et faible bruit sur toute la gamme de vitesses. De ce fait, le palier de pivot supporte peu de friction et résiste de façon adéquate à une rotation à vitesse extrêmement élevée pour ne produire aucun bruit. En outre, une rotation est effectuée dans une condition quasi sans contact dans la direction radiale pour réaliser une action d'auto- alignement efficace, ce qui est grandement avantageux en auto- correction de perte en équilibre dynamique pour ne produire aucune vibration. Egalement, la structure de palier est réalisée de façon très simple pour réaliser un palier de haute performance à faible coût. La prévision d'un moyen d'arrêt pour limiter les déplacements du rotor dans la direction axiale dans une gamme de déplacements o des forces de poussée portées par le rotor sont dans la même direction permet un support de poussée stable même lorsque le rotor se déplace dans la direction axiale. Au moins l'un des points de support pour le rotor sert comme palier magnétique du type à attraction pour permettre d'obtenir une grande rigidité de support radiale, permettant de la sorte de réaliser le palier de structure à faible dimension et le palier magnétique du type à attraction comprend des aimants côté stator et côté mobile prévus en agençant de manière concentrique et espacés l'un de l'autre deux aimants conformés en anneau magnétisés dans la direction axiale avec des directions de magnétisation de ceux-ci opposées l'une à l'autre, les deux aimants étant opposés l'un à l'autre afin de s'attirer l'un vers l'autre dans la direction axiale, de sorte qu'un trajet magnétique fermé libre de fuite du flux magnétique est formé pour permettre de réaliser une grande rigidité radiale due au flux magnétique de haute densité. Au moins l'un des points de support pour le rotor sert comme palier magnétique du type à répulsion pour permettre d'assurer une liberté en constitution afin d'insérer le rotor du côté palier dans la direction axiale pour un assemblage facile du rotor. En outre, le palier magnétique du type à répulsion comprend des aimants côté stator et côté mobile prévus en agencant d'une manière linéaire et espacés les uns des autres plusieurs aimants conformés en anneau magnétisés dans la direction axiale avec des directions de magnétisation de ceux-ci étant la même, les deux aimants étant opposés l'un à l'autre afin de se repousser l'un de l'autre dans la direction radiale, de sorte qu'une force de support élevée peut être assurée simplement par un traitement de polarisation collectif dans un procédé unique. REVENDICATIONS 1. Structure de palier, caractérisée en ce qu'elle comprend un ou deux groupes de paliers magnétiques (3, 4) pour supporter radialement un rotor (1) d'un dispositif rotatif à deux points de support d'une manière sans contact par des forces magnétiques, les paliers magnétiques étant agencés de telle sorte que des forces de poussée de ceux-ci agissent en direction axiale opposée et un pivot (5a) disposé sur un axe du rotor (1) pour porter une extrémité d'arbre du rotor (1) à un point tout en déplaçant l'extrémité d'arbre dans une direction axiale à partir d'une position neutre o toutes les forces de poussée agissant sur le rotor (1) s'équilibrent. 2. Structure de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen d'arrêt (6) pour limiter des déplacements du rotor (1) dans la direction axiale dans une gamme de déplacements o des forces de poussée portées par le rotor (1) sont dans la même direction. 3. Structure de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins l'un des points de support précités pour le rotor (1) sert comme palier magnétique du type à attraction. 4. Structure de palier selon la revendication 3, caractérisée en ce que le palier magnétique précité du type à attraction comprend des aimants côté stator et côté mobile (3a, 3b) réalisés en agençant de manière concentrique et espaçant l'un de l'autre deux aimants conformés en anneau magnétisés dans la direction axiale avec des directions de magnétisation de ceux-ci opposées l'une à l'autre, les deux aimants étant opposés l'un à l'autre afin de s'attirer l'un vers l'autre dans la direction axiale. 5. Structure de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins l'un des points de support précité pour le rotor (1) sert comme palier magnétique du type à répulsion. 6. Structure de palier selon la revendication 5, caractérisée en ce que le palier magnétique précité du type à répulsion comprend des aimants côté stator et côté mobile (4a, 4b) réalisés en agençant de manière linéaire et espaçant les uns des autres plusieurs aimants conformés en anneau magnétisés dans la direction axiale avec des directions de magnétisation de ceux-ci étant la même, les deux aimants étant opposés l'un à l'autre afin de se repousser dans la direction radiale. 7. Structure de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des pivots prévus aux deux extrémités du rotor précité (1) et en ce qu'une position neutre o toutes les forces de poussée s'équilibrent est située sensiblement à mi-chemin d'un espace dans une direction axiale dudit rotor (1).