Brevet FR2923877A1 — publié le 20090522

Palier magnétique centreur à double étages. La présente invention concerne une structure de centreur magnétique, et plus particulièrement une structure de palier magnétique 5 centreur destiné notamment à des applications spatiales. La solution proposée dans le présent brevet est adaptée aux centreurs utilisés sur les roues et actionneurs gyroscopiques. Différentes structures de centreurs magnétiques sont connues. 10 Elles reposent généralement sur l'utilisation d'aimants permanents, de bobinages, d'armatures ferromagnétiques et, le plus souvent, d'un circuit électrique d'excitation permettant de contrôler les flux magnétiques générés par les bobinages. Le rôle d'un palier magnétique centreur, est de centrer un corps mobile par rapport à un corps de référence. Plusieurs mouvements du 15 corps mobile par rapport au corps de référence sont ainsi empêchés, ou contrôlés. Si l'on considère un repère orthogonal constitué de trois axes X-X, Y-Y, et Z-Z, centré au centre du dispositif comprenant le centreur magnétique, le corps mobile et le corps de référence ; l'axe Z-Z constituant un axe de révolution du dispositif, et les axes X-X et Y- Y définissant un plan 20 médian du dispositif, il existe alors trois translations selon les axes X-X, Y-Y et Z-Z et trois rotations autour de ces trois mêmes axes. Différents types de paliers magnétiques centreurs permettent de contrôler les trois translations. Par ailleurs, le corps mobile conserve au moins un degré de 25 liberté par rapport au corps de référence, généralement une rotation autour de l'axe Z-Z ; dans ce cas, le corps mobile est appelé rotor et le corps de référence stator. Les basculements selon les autres axes ne peuvent en revanche être contrôlés que de manière passive. 30 La plupart des paliers magnétiques centreurs permettent donc de contrôler les trois translations du corps mobile par rapport au corps de référence : selon un axe actif et deux axes passifs, selon deux axes actifs et un axe passif, ou selon trois axes actifs. Cependant, ils présentent, dans l'état de l'art, l'inconvénient d'un encombrement radial important. En effet, des bobinages sont enroulés autours d'axes verticaux, parallèles à l'axe Z-Z, en périphérie du palier ; le retour de ces bobinages ne sert pas à générer de flux magnétique supplémentaire : la présence de ce retour n'est qu'une nécessité physique et augmente l'encombrement radial. Pour ce qui est du contrôle des basculements autour des axes X-X et Y-Y, plusieurs technologies ont été développées. L'une d'elles est décrite dans le brevet français n° 2797477. Le palier magnétique proposé dans ce brevet permet de contrôler des basculements selon les axes X-X et Y-Y mais son encombrement est très important et, en outre, il ne permet pas de générer un couple important, ce qui est rédhibitoire pour certaines applications. En effet, dans le cas où l'on cherche à stabiliser un satellite d'observation de la Terre tout en compensant le mouvement relatif du satellite par rapport à la Terre à l'aide d'une roue à paliers magnétiques montée sur un cardan, le frottement sec de la roue, corps mobile, sur le cardan nécessite un couple important pour être surmonté. La technologie proposée dans le brevet français n° 2797477 n'est donc pas adaptée. Une autre technologie permettant de contrôler des basculements d'un corps mobile par rapport à un corps de référence selon les axes X-X et Y- Y à l'aide d'un palier magnétique centreur est décrite dans le brevet français n° 2797478. En réalité, le palier magnétique développé grâce à ce brevet a vocation à générer des basculements de plusieurs degrés, et non des micro-basculements. Ainsi, il ne permet pas non plus de générer des couples importants. De plus, lui aussi présente l'inconvénient d'un encombrement important. En résumé, les paliers magnétiques centreurs de l'état de l'art 30 présentent tous au moins l'un des inconvénients suivants : • l'impossibilité de générer et de contrôler des micro-basculements du corps mobile par rapport au corps de référence, • l'impossibilité de générer des couples importants, 35 • un encombrement, notamment radial, important. Le présent brevet propose une solution à l'ensemble de ces inconvénients par l'utilisation d'une structure de palier magnétique à double étages. A cet effet, l'invention a pour objet un palier magnétique permettant le centrage d'un corps mobile par rapport à un corps de référence et comportant : • une première armature ferromagnétique solidaire du corps mobile, à symétrie de révolution, et contenant une pluralité d'aimants répartis annulairement, • une deuxième et une troisième armatures ferromagnétiques, solidaires du corps de référence, à symétrie de révolution, et 15 supportant une pluralité de bobinages répartis annulairement, • un circuit d'excitation permettant d'appliquer un courant d'excitation auxdits bobinages, le palier magnétique étant à symétrie de révolution et présentant un axe de révolution et une hauteur, et possédant par ailleurs un centre, appartenant à 20 l'axe de révolution et situé à la moitié de la hauteur dudit palier magnétique, ainsi qu'un premier et un deuxième axes de références, orthogonaux, s'intersectant au centre du palier magnétique, lesdits premier et deuxième axes de référence définissant un plan médian du palier magnétique orthogonal à l'axe de révolution dudit palier magnétique, caractérisé en ce 25 que le palier magnétique est agencé sur deux étages, appelés étage supérieur et étage inférieur, les première, deuxième et troisième armatures comprenant par conséquent deux étages, et la pluralité d'aimants étant constituée d'un premier et d'un second ensemble d'aimants, l'étage supérieur contenant le premier ensemble d'aimants répartis annulairement et 30 l'étage inférieur contenant le second ensemble d'aimants répartis annulairement, les premier et second ensembles d'aimants présentant des directions d'aimantation parallèles à l'axe de révolution du palier magnétique et de sens opposé, les première, deuxième et troisième armatures ferromagnétiques étant conçues de telle sorte que trois entrefers annulaires 35 séparent la première armature de la deuxième armature d'une part, et que trois entrefers annulaires séparent la première armature de la troisième armature d'autre part. Avantageusement, chaque bobinage est enroulé autour d'un axe de révolution du bobinage contenu dans le plan médian du palier magnétique et passant approximativement par le centre du palier magnétique, cet agencement des bobinages permettant d'exploiter l'intégralité des bobinages présents dans le palier et, en coopération avec la pluralité d'aimants, de contrôler le centrage du corps mobile par rapport au corps de référence pour des mouvements en translation selon les premier et deuxième axes de référence et, de manière passive, selon l'axe de révolution du palier magnétique. Avantageusement, la pluralité de bobinages est constituée d'un premier ensemble de bobinages répartis annulairement au sein de l'étage supérieur du palier magnétique et d'un second ensemble de bobinages répartis annulairement au sein de l'étage inférieur du palier magnétique, chaque bobinage étant enroulé autour d'un axe de révolution du bobinage parallèle à l'axe de révolution du palier, et donc orthogonal au plan médian dudit palier magnétique, cet agencement sur deux étages des bobinages et des aimants permettant d'une part de contrôler le centrage du corps mobile par rapport au corps de référence pour des mouvements en translation selon les premier et deuxième axes de référence et, de manière passive, selon l'axe de révolution du palier magnétique, et d'autre part de provoquer et de contrôler des micro-basculements en rotation autour d'un axe de basculement quelconque dans le plan médian du palier magnétique et passant approximativement par son centre, du corps mobile par rapport au corps de référence. Avantageusement, les bobinages sont répartis par paires, diamétralement opposés, et sont décalés d'environ 90° l'un part rapport à 30 l'autre. Avantageusement, les aimants sont répartis de façon homogène, décalés de quelques degrés l'un par rapport à l'autre, environ 10° par exemple, sous la forme de secteurs ou sous forme discrète, comme dans un barillet. Avantageusement, le corps mobile est une roue, dite roue à paliers magnétiques. Avantageusement, le palier magnétique est monté sur un cardan, constituant un actionneur gyroscopique destiné à être monté sur un satellite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1 : le schéma d'un palier magnétique centreur classique, selon l'état de l'art ; • la figure 2 : le schéma d'un premier type de palier magnétique centreur à double étages selon l'invention ; • la figure 3: le schéma d'un deuxième type de palier magnétique centreur à double étages selon l'invention. 15 La figure 1 présente un schéma d'une structure de palier magnétique centreur de l'état de l'art. Ce palier magnétique, de centre O, est à symétrie de révolution autour de son axe de révolution Z-Z. II permet la libre rotation autour de l'axe Z-Z du corps mobile, ou rotor, R par rapport au 20 corps de référence, ou stator, S. Les axes de références X-X et Y-Y s'intersectent au centre du palier O et définissent un plan médian du palier magnétique. Ce palier comprend trois armatures ferromagnétiques AR1, AR2 et AR3, toujours à symétrie de révolution autour de Z-Z. On constate que des 25 entrefers annulaires séparent l'armature AR2 de l'armature AR1 d'une part et de l'armature AR3 d'autre part. L'armature centrale AR2 comprend une pluralité d'aimants A11, Al2 répartis annulairement de façon homogène ; ces aimants A11, Al2 présentent la même direction d'aimantation. Les armatures AR1 et AR3 30 supportent une pluralité de bobinages B11, B12, B13, B14 également répartis annulairement et présentant un axe de révolution parallèle à l'axe de révolution du palier Z-Z. Les aimants A11, Al2 génèrent des premiers flux magnétiques FA11, FAl2, FA13, FA14 tandis que les bobines génèrent des seconds flux 35 magnétiques FB11, FB12. Du fait de l'interaction entre ces flux magnétiques, 10 en cas de décentrage du corps mobile R par rapport au corps de référence S, des efforts Ela à Elh s'exercent au niveau des entrefers et la résultante de ces efforts, FR, contribue à recentrer ou à amplifier le décentrage du rotor R par rapport au stator S. En appliquant un courant d'excitation adéquate aux bobinages B11, B12, B13, B14 à l'aide d'un circuit d'excitation, il est possible de contrôler le centrage du corps mobile R par rapport au corps de référence S. Cette structure permet de maîtriser les translations selon les axes X- X et Y-Y. L'axe Z-Z est quant à lui stabilisé de manière passive, de même 1 o que les basculements. Par ailleurs, les retours des bobinages B11, B12, B13, B14, situés en périphérie du palier ne permettent pas directement de générer des flux magnétiques. Leur présence est une nécessité physique ; elle augmente l'encombrement radial du dispositif. 15 En résumé, cette structure de palier magnétique centreur, caractéristique de l'état de l'art, permet de mettre en lumière les défauts des technologies connues : la non-maîtrise des basculements autour des axes X-X et Y-Y et l'encombrement radial important. Comme cela a été expliqué 20 précédemment, d'autres structures de palier magnétiques centreurs, tels que ceux décrits dans les brevets français n° 2797477 et n° 2497478 permettent de générer des basculements du corps mobile par rapport au corps de référence mais ces paliers ne peuvent pas transmettre de couple important et présentent un encombrement très important. 25 La figure 2 illustre la possibilité de réduire l'encombrement radial d'un palier magnétique centreur grâce à une structure à double étages constituant le coeur de la présente invention. Le palier magnétique centreur est donc ici agencé sur deux 30 étages. L'étage supérieur 1 a-1 b et l'étage inférieur 2a-2b. Les bobinages B21, B22, B23 et B24 sont enroulés autour de leur axe de révolution contenu dans le plan médian du palier magnétique, défini par les axes X-X et Y-Y, et passant par le centre O du palier. Ces bobinages B21, B22, B23 et B24 peuvent être redondés. L'agencement du palier magnétique sur deux étages 35 entraîne par ailleurs la mise en place de trois entrefers annulaires séparant l'armature ferromagnétique AR2 de l'armature ferromagnétique AR1 d'une part et de trois autres entrefers annulaires séparant l'armature ferromagnétique AR2 de l'armature ferromagnétique AR3 d'autre part. Chacun des deux étages comporte également un ensemble d'aimants A21 à A24 répartis annulairement. Ces aimants A21 à A24 présentent des directions d'aimantation parallèles à l'axe de révolution du palier, Z-Z, et de sens opposé s'ils n'appartiennent pas au même étage. Ces bobinages et ces aimants ainsi positionnés génèrent des flux magnétiques. Les bobinages créent des flux FB21, FB22, FB23, FB24, sur les deux étages du palier. Ainsi, l'intégralité des bobinages est utile à la génération du flux magnétique global créé au sein du palier : l'efficacité du palier magnétique est donc augmentée. Il est également possible de réduire l'encombrement radial, c'est-à-dire selon le plan défini par X-X et Y-Y, par rapport à celui du palier magnétique de la figure 1. Par ailleurs, les aimants génèrent des flux magnétiques FA21 à FA28. L'ensemble des flux magnétiques créés au sein du palier magnétique par les bobines et les aimants se comportent ensuite comme cela a été précédemment décrit pour la figure 1 : les efforts E2a à E2I s'exerçant aux niveaux des entrefers se traduisent par la force résultante FR, qui contribue à recentrer ou à amplifier le décentrage du rotor R par rapport au stator S. De plus, en appliquant un courant d'excitation adéquate aux bobinages B11, B12, B13, [314 à l'aide d'un circuit d'excitation, il est toujours possible de contrôler le centrage du corps mobile R par rapport au corps de référence S. En résumé, grâce à un agencement sur deux étages, on réduit l'encombrement radial du palier magnétique centreur ou on augmente son efficacité. La figure 3 présente un autre exemple de palier magnétique centreur à double étages conforme à l'invention. Par rapport au palier magnétique décrit dans la figure 2, la différence de structure réside dans le fait que deux ensembles de bobinages distincts sont réparties annulairement, respectivement sur l'étage supérieur 1 a-1 b et sur l'étage inférieur 2a-2b du palier. Les bobinages B31, B32, B35 et B36 appartiennent à l'étage supérieur 1 a-1 b tandis que les bobinages B33, B34, B37 et B38 sont répartis sur l'étage inférieur 2a-2b. Sur les deux étages, les bobinages sont enroulés autour des armatures ferromagnétiques, respectivement AR1 et AR3 ; les axes de révolutions des bobinages sont parallèles à l'axe de révolution du palier. L'encombrement radial est donc comparable à celui du palier magnétique de la figure 1. Comme pour le palier de la figure 2, chaque étage comprend une pluralité d'aimants répartis annulairement, respectivement A31, A33 à l'étage supérieur 1 a-1 b et A32, A34 à l'étage inférieur 2a-2b. Ces aimants génèrent toujours des flux magnétiques FA31, FA32, FA35, FA36 à l'étage supérieur 1 a-1 b et FA33, FA34, FA37, FA38 à l'étage inférieur 2a-2b. Le changement va se situer au niveau des flux magnétiques générés par les bobinages B31 à B38. En effet, ainsi disposés sur deux 15 étages, les différents bobinages vont générer des flux magnétiques FB31, FB33 à l'étage supérieur 1 a-1 b et FB32, FB34 à l'étage inférieur 2a-2b. Ces flux sont indépendants d'un étage à l'autre car les bobinages sont différents. Par conséquent, les efforts E3a à E31 s'exerçant au niveau des entrefers peuvent ne pas être symétriques par rapport au plan médian du palier défini 20 par X-X et Y-Y, ce qui n'est pas le cas pour le palier de la figure 2. En appliquant par exemple des courants d'excitation adéquats aux bobinages des deux étages du palier, il devient donc possible que la résultante des efforts E3a à E31 soit un couple résultant CR permettant de contrôler des basculements du palier autour d'un axe contenu dans le plan 25 médian du palier et passant par le centre O du palier. Les basculements applicables par cette technologie sont petits, de l'ordre de quelques millièmes de radian. En revanche, il est possible de générer un couple résultant important. 30 Pour des applications spatiales dans lesquelles un tel palier magnétique centreur est monté sur un cardan, formant ainsi un actionneur gyroscopique, l'avantage majeur de l'invention réside dans le fait que l'on peut générer des micro-basculements du rotor, corps mobile du dispositif 35 décrit ci-dessus ; on n'a donc pas à faire basculer le cardan. Ceci permet d'éviter d'avoir à faire travailler les roulements à billes permettant de faire pivoter le cardan de façon continue et à une vitesse quasi nulle, ce qui engendre les frottements secs et donc les problèmes de commandabilité du satellite dont on cherche à asservir le pointage. L'invention permet de résoudre totalement ce problème. Elle permet en outre de compenser certaines micro-vibrations en basculement inhérentes à de tels équipements. En résumé, l'invention a pour principal originalité de proposer une structure à double étages pour un dispositif de palier magnétique centreur. Selon la mise en oeuvre choisie, cette invention présente l'avantage d'un gain en termes d'encombrement ou de rendement des bobinages, ou la possibilité de générer et de contrôler des micro-basculements d'un corps mobile par rapport à un corps de référence. REVENDICATIONS 1. Palier magnétique permettant le centrage d'un corps mobile (R) par rapport à un corps de référence (S) et comportant : • une première armature ferromagnétique (AR2) solidaire du corps mobile (R), à symétrie de révolution, et contenant une pluralité d'aimants (A21-A24, A31-A34) répartis annulairement, • une deuxième (AR1) et une troisième (AR3) armatures ferromagnétiques, solidaires du corps de référence (S), à symétrie de révolution, et supportant une pluralité de bobinages (B21-B24, i o B31-B38) répartis annulairement, • un circuit d"excitation permettant d'appliquer un courant d'excitation auxdits bobinages (B21-B24, B31-B38), le palier magnétique étant à symétrie de révolution et présentant un axe de révolution et une hauteur, et possédant par ailleurs un centre 15 (0), appartenant à l'axe de révolution (Z-Z) et situé à la moitié de la hauteur dudit palier magnétique, ainsi qu'un premier (X-X) et un deuxième (Y-Y) axes de références, orthogonaux, s'intersectant au centre (0) du palier magnétique, lesdits premier (X-X) et deuxième (Y-Y) axes de référence définissant un plan médian du palier 20 magnétique orthogonal à l'axe de révolution (Z-Z) dudit palier magnétique, caractérisé en ce que le palier magnétique est agencé sur deux étages appelés étage supérieur (1 a-1 b) et étage inférieur (2a-2b), les première (AR2), deuxième (AR1) et troisième (AR3) armatures comprenant par conséquent deux étages, et la pluralité 25 d'aimants (A21-A24, A31-A34) étant constituée d'un premier (A21, A23, A31, A33) et d'un second (A22, A24, A32, A34) ensemble d'aimants, l'étage supérieur (1 a-1 b) contenant le premier ensemble d'aimants (A21, A23, A31, A33) répartis annulairement et l'étage inférieur (2a-2b) contenant le second ensemble d'aimants (A22, A24, 30 A32, A34) répartis annulairement, les premier (A21, A23, A31, A33) et second (A22, A24, A32, A34) ensembles d'aimants présentant des directions d'aimantation parallèles à l'axe de révolution (Z-Z) du palier magnétique et de sens opposé, les première (AR2), deuxième (AR1) et troisième (AR3) armatures ferromagnétiques étant conçues de tellesorte que trois entrefers annulaires séparent la première armature (AR2) de la deuxième armature (AR1) d'une part, et que trois entrefers annulaires séparent la première armature (AR2) de la troisième armature (AR3) d'autre part. 2. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bobinage (B21-B24) est enroulé autour d'un axe de révolution du bobinage contenu dans le plan médian du palier magnétique et passant approximativement par le centre (0) du palier magnétique, 1 o cet agencement des bobinages (B21-B24) permettant d'exploiter l'intégralité des bobinages (B21-B24) présents dans le palier et, en coopération avec la pluralité d'aimants, (A21-A24) de contrôler le centrage du corps mobile (R) par rapport au corps de référence (S) pour des mouvements en translation selon les premier (X-X) et 15 deuxième (Y-Y) axes de référence et, de manière passive, selon l'axe de révolution (Z-Z) du palier magnétique. 3. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité de bobinages (B31-B38) est constituée d'un premier 20 ensemble de bobinages (B31, B32, B35, B36) répartis annulairement au sein de l'étage supérieur (1 a-1 b) du palier magnétique et d'un second ensemble de bobinages (B33, B34, B37, B38) répartis annulairement au sein de l'étage inférieur (2a-2b) du palier magnétique, chaque bobinage (B31-B38) étant enroulé autour d'un 25 axe de révolution du bobinage parallèle à l'axe de révolution (Z-Z) du palier, et donc orthogonal au plan médian dudit palier magnétique, cet agencement sur deux étages (1 a- 1 b, 2a-2b) des bobinages (B31-B38) et des aimants (A31-A34) permettant d'une part de contrôler le centrage du corps mobile (R) par rapport au corps de référence (S) 30 pour des mouvements en translation selon les premier (X-X) et deuxième (Y-Y) axes de référence et, de manière passive, selon l'axe de révolution (Z-Z) du palier magnétique, et d'autre part de provoquer et de contrôler des micro-basculements en rotation autour d'un axe de basculement quelconque dans le plan médian du paliermagnétique et passant approximativement par son centre (0), du corps mobile (R) par rapport au corps de référence (S). 4. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 5 caractérisé en ce que les bobinages (B21-B24, B31-B38) sont répartis par paires, diamétralement opposés, et sont décalés d'environ 90° l'un part rapport à l'autre. 5. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 10 caractérisé en ce que les aimants (A21-A24, A31-A34) sont répartis de façon homogène, décalés de quelques degrés l'un par à rapport l'autre, environ 10° par exemple, sous la forme de secteurs ou sous forme discrète, comme dans un barillet. 15 6. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le corps mobile (R) est une roue, dite roue à paliers magnétiques. 7. Actionneur gyroscopique comportant un cardan, caractérisé en ce 20 qu'il comprend un palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 monté sur ledit cardan, ledit actionneur gyroscopique pouvant être intégré à un satellite.