Brevet FR2954961A1 — publié le 20110708

PALIERS MAGNETIQUE PASSIF Domaine & état de la technique : Mécanique, transports, astronautique, industrie chimique et alimentaire. La présente invention concerne les dispositifs permettant de maintenir une première pièce par rapport à une seconde pièce sans frottements à l'exception de ceux qui peuvent être engendrés par le milieu ambiant dans lequel peuvent se trouver de tels dispositifs, et plus particulièrement ceux qui trouvent une application avantageuse dans la réalisation notamment de moteurs électriques, ou analogues. On sait que, lorsque deux pièces doivent se déplacer l'une par rapport à l'autre, le problème majeur qui se pose est l'élimination des frottements qui se produisent entre ces deux pièces. Pour réduire ces frottements lorsque, les deux pièces sont en translation l'une par rapport à l'autre, on a utilisé des systèmes du type "à sustentation magnétique active" exemple le train Maglev Dans le cas où les deux pièces sont montées en rotation l'une par rapport à l'autre, on a utilisé des systèmes du type paliers, graissé à l'huile sous pression, à la 20 graisse,"roulements à billes" ou analogues. Les frottements sont alors en grande partie réduits mais ne sont jamais totalement éliminés. Dans l'espace ou dans par exemple l'industrie alimentaire les paliers classiques se grippent ou pollue leur environnement. Pour aller plus loin en performances, on fait appel à des « paliers 25 magnétiques actifs » tel les centrifugeuses de séparation isotopiques etc. ces dispositifs sont complexe et onéreux. La présente invention a-t-elle pour but de palier à cet inconvénient et de réaliser un dispositif permettant de maintenir une première pièce par rapport à une seconde pièce sans frottement, à l'exception de ceux qui peuvent être engendrés par 30 le milieu ambiant dans lequel peut se trouver un tel dispositif, et de réaliser, à titre d'application, des moteurs électriques ou analogues. Pour ce faire la présente invention fait appel à un concept innovant de « paliers magnétiques passif» auto stable. 1 2954961 Rappel de quelques notions de base, du magnétisme. La figure 1 montre deux aimants (8) & (9) en vis à vis.Le champ B (6) de 5 l'aimant (8) et le champ B (4) de l'aimant (9) étant dans le même sens les deux aimants s'attirent. Les lignes de champ B (7) allant de la face (9n) de l'aimant (9) a la face (8s) de l'aimant (8) on l'allure représentée sur la figure 1. La figure 2 montre les deux même aimants (8) & (9) en vis à vis. Le champ B (6) de l'aimant (8) et le champ B (4) de l'aimant (9) étant dans le même 10 sens les deux aimants s'attirent. Les lignes de champ B (7) allant d'un aimant à l'autre ont l'allure représentée sur la figure 2. On constate expérimentalement que, cette foi, les lignes de champ ont une intensité double de celle de la figure 1 (à entrefer identique). Cela est dû au fait que l'on a refermé le flux magnétique des aimants en plaçant une pièce de fermeture (10), par exemple en fer silicé, qui relie 15 la face (8n) de l'aimant (8) à la face (9s) de l'aimant (9). La fermeture d'un circuit magnétique a une importance stratégique sur la puissance du champ d'entrefer. La force d'attraction entre aimants varie quasi linéairement avec la distance d'entrefer. On définit : • La distance d'entrefer comme étant la distance entre la face (8s) et la face (9n) de la figure 1 (ou2). • L'entrefer est la zone située entre deux aimants en vis a vis, c'est par exemple la zone comprise entre la face (8s) et la face (9n) de la figure 1 • Le pole Nord dans les figures est désigné par I indice « n » exemple (8n) de la figure 1 • Le pole Sud dans les figures est désigné par I indice « s » exemple (8s) de la figure 1 On peut avoir, sur une même surface d'un aimant, des zones Nord et Sud ceci est bien connu de l'homme de l'art. En particulier on peut avoir, comme le montre la figure 3, un champ d'entrefer extrêmement intense entre les dites surfaces si on utilise la disposition dite en « structure de HALBACH ». 2 On voit sur la figure 3, trois aimants prismatiques disposés cote à cote et formant un trapèze, l'aimant (1) a sa face Sud en (1s) et sa face Nord en (1 n) . Cette dite face (1 n) est à l'interface avec la face (2s) de l'aimant 2 . Alors que la face (2n) de l'aimant (2) est à l'interface de la face (3s) de l'aimant 3. Enfin la face (3n), de l'aimant 3, se retrouve tournée vers l'extérieur et est coplanaire avec la face (1 s). Les lignes de champ externe B (7) relient les pôles Nord (3n) au SUD (1s) . Désignons cette surface (3n) û (1s) par le terme « surface multipolaire » . 10 Si l'on place en vis a vis deux « structure de HALBACH » , comme illustrées par la figure 4 , c'est à dire face Nord en face de face Sud ,elles vont s'attirer et le champ d'entrefer B(7) & B(7') sera particulièrement intense et aura l'allure indiquée sur la figure 4 . 15 Par souci d'alléger le texte, tout en restant dans le cadre du brevet on désigne indifféremment par le terme « structure multipolaire », une « structure de HALBACH ». C'est à dire une structure aimantée présentant sur une même face, cote à cote une (ou des) zone(s) Nord et une(ou des) zone(s) Sud c'est à dire une structure aimantée ayant une « surface multipolaire ». 20 Cette « surface multipolaire » et cette « structure multipolaire », sont réalisées par tout moyent connu par l'homme de l'art. Description des figures La figure 1 représente l'interaction d'attraction entre deux aimants La figure 2 représente l'amélioration de l'interaction d'attraction entre deux aimants 25 obtenue en refermant le champ magnétique La figure 3 représente une disposition dite structure de Halbach permettant d'obtenir deux surfaces magnétiques de polarité opposées sur une même surface. La figure 4 représente l'interaction d'attraction entre deux structures de Halbach La figure 5 représente l'interaction de répulsion entre deux structures de Halbach 30 La figure 6 représente un demi-palier magnétique passif mettant à profit l'interaction de répulsion entre deux structures coniques de révolution de Halbach emboîtées. La figure 7 représente un palier magnétique passif suivant un montage dit en « o » mettant à profit l'interaction de stabilisation entre deux demi-palier magnétique passif. 3 La figure 8 équivalente à un roulement a billes à 4 contacts, représente un palier magnétique passif suivant un montage dit en « o » mettant à profit l'interaction de stabilisation entre deux entrefers coniques de révolution répulsifs. La figure 9 équivalente à un roulement a billes à 4 contacts, représente un palier 5 magnétique passif suivant un montage dit en « o » mettant à profit l'interaction de stabilisation entre deux entrefers a structure multipolaires coniques de révolution antagonistes (répulsifs). DESCRIPTION DES ELEMENTS DES FIGURES 10 1. aimant prismatique 2. aimant prismatique 3. aimant prismatique B4. Champ magnétique 15 B5. Champ magnétique de fermeture B6. Champ magnétique B7. Champ magnétique 8. aimant parallélépipédique 9. aimant parallélépipédique 20 10. aimant ou acier ferromagnétique parallélépipédique ou de révolution (tronconique) fermant un circuit magnétique 11. aimant prismatique ou de révolution (torique) 12. aimant prismatique ou de révolution (torique) 13. aimant ou acier ferromagnétique prismatique ou de révolution (torique) 25 18. aimant de révolution (tronconique) 19. aimant de révolution (tronconique) 20. axe de révolution 21. axe perpendiculaire a la structure multipolaires conique de révolution antagonistes ; Cet axe passe azimutalement par le centre de poussée de la 30 surface conique multipolaire. 22. point ou l'axe 21 coupe l'axe 20. 23. axe perpendiculaire à l'axe 20 en 22 DESCRIPTION DES INDICES DES ELEMENTS « X » DES FIGURES X' le signe ` permet de désigner un élément équivalant à un élément sans ' 4 X" le signe " permet de désigner un élément équivalant à un élément sans ` X"' le signe "' permet de désigner un élément équivalant à un élément sans ' `X le signe ` permet de désigner un élément équivalant mais de polarité inversée à un élément sans ` X N l'indice N permet de désigner un pole NORD d'une pièce X X S l'indice S permet de désigner un pole SUD d'une pièce X 5 2954961 4. Répulsion magnétique objet de l'invention a/ Si l'on place en vis a vis deux « structures multipolaires » planes, comme illustrées par la figure 5, c'est à dire face Nord en face de face Nord, et Sud en face 5 de Sud , elles vont se repousser violemment et les champs d'entrefer répulsif B(7) à B(7"') & B (7') à B(7") seront particulièrement intenses, antagonistes et auront l'allure indiquée sur la figure 5. cette disposition est dite montées en : « entrefer à surfaces multipolaires antagonistes» b/ Si l'on place en vis a vis deux « structures multipolaires coniques antagonistes «, comme illustrées par la figure 6, c'est à dire face Nord en face de face Nord et Sud en face de Sud, elles vont se repousser violemment et le champ d'entrefer répulsif B(7) à B(7"') & B (7') à B(7") seront particulièrement intenses & antagonistes . On a alors un « entrefer conique de surfaces multipolaires antagonistes» On arrive avec la figure 6 au coeur de l'invention. Les deux « structures multipolaires coniques antagonistes » ont un axe de symétrie de révolution commun (20). Si on opère une translation de la « structure multipolaires conique antagonistes »= aimant (18) ('18) le long de l'axe 20 deux phénomènes peuvent apparaître. Si l'aimant (18) ('18) s'éloigne de l'aimant (19) 09) la répulsion entre (18) (18) et (19) ('19) vas diminuer. • Si (18) ('18) s'approche de (19) (`19) la répulsion entre (18) ('18) et (19) 25 ('19) va croître. • notons que la répulsion des « structures multipolaires coniques antagonistes » est coaxiale à l'axe 20 est de signe négatif par rapport à orientation du dit l'axe 20 (voir fig 6) • Les deux aimants (18) ('18) et (19) (1 9) ont donc tendance à se repousser 30 le long de l'axe 20. Si on opère une translation de la « structure multipolaires conique antagonistes » (18) ('18) perpendiculaire à l'axe 20 par exemple le long de l'axe 23 deux phénomènes apaisent simultanément. Sur le coté ou (18) (18) s'éloigne de (19) ('19) la répulsion locale entre (18) ('18) et (19) ('19) vas diminuer. Sur le coté ou (18) ('18) s'approche de (19) ('19) la répulsion locale entre (18) ('18) et (19) ('19) vas croître & On va ainsi avoir une force de « rappel » qui a tendance à ramener les « structures multipolaires coniques antagonistes » vers une position de coaxilité relative. On a donc une stabilité radiale parfaite (les forces magnétiques induisant un retour vers la coaxialité ). Convenons d'appeler «demi-palier magnétique conique » une paire de « structures multipolaires coniques antagonistes» emboîtées comme illustrées par la figure 6 et configurées de manière à avoir un « entrefer conique de surfaces multipolaires antagonistes» Convenons d'appeler « aimant conique » ou « aimant » une « structure multipolaires conique » comme par exemple l'aimant (18) ('18) . Le point (22) est situé sur l'axe (20) il est le point de passage de la droite (21) qui sont elle même perpendiculaire à la surface conique (18s) & (18n) de l'aimant (18) ('18). Plus précisément la droites (21) est, en fait, normale à l'entrefer, sa position azimutale dans le cône est telle que l'on ais la même surface d'entrefer a droite et a gauche du pied de la dite droite. Le point (22) est le centre de poussée des deux aimants coniques (18) ('18) et (19) ('19) . Le point (22) est l'équivalent du centre de poussée d'un palier à bille à contact oblique. Un « demi-palier magnétique conique » est équivalent et a le même comportement qu'un palier à bille à contact oblique. Pour équilibrer la poussée axiale le long de l'axe (20) et pour réaliser des mécanismes stables tel que moteur, a l'instar des paliers à billes à contact oblique, il est judicieux d'utiliser 2 «demi-paliers magnétique conique » alignés sur le même arbre et placée en opposition de poussée. Pour qu'un tel montage soit le plus stable possible il faut faire un assemblage, bien connu de l'homme de l'art, dit en « o », c'est à dire avec les centres de 7 poussée (22) & (22') des deux demi-paliers situés au-delà des demi-paliers comme le montre la figure 7. Pour qu'un tel montage soit plus facile à intégrer, il faut faire un assemblage, bien connu de l'homme de l'art, dit en « x », c'est à dire avec les centres de poussée (22) & (22') des deux demi-paliers, situé entre les demi-paliers. Si l'on n'a pas de place, on peut rapprocher les deux «demi-paliers magnétiques conique » montés en « o » au point qu'ils se touchent. On a alors l'équivalent d'un roulement à billes à 4 contacts. Les figures 8 & 9 montrent deux exemples de réalisations. a/ Sur la figure 8 on a un aimant classique (11) de révolution au centre, ayant une aimantation entre ses faces (11n) & (11s) ; Sur la figure 8 on a deux aimants classiques (12) & (12') de révolution de chaque coté de l'aimant (11). Et soit un aimant torique soit un fer silicé (13) assurant la fermeture du champ des aimants (12) & (12'). On remarque que la pièce (13) peut faire partie intégrante de par exemple l'aimant (12) ou que les aimants (12) & (12') peuvent avoir chacun une extension représentant la moitié de la pièce (13). Enfin les pièces (12) (13) & (12') peuvent être monobloc (une seule et unique pièce). L'aimant (11) étant alors sécable par exemple selon son diamètre. b/ Sur la figure 9 on a un aimant à structure multipolaires (11) de révolution au centre, ayant une aimantation à structure multipolaires entre ses faces (11n) - (Ils) et (11'n) - (11's) ; Sur la figure 9 on a deux aimants à structure multipolaires (12) - (12') & (12") - (12"') de révolution de chaque coté de l'aimant (11). On obtient ainsi deux « entrefers coniques de surfaces multipolaires antagonistes» ayant leurs cônes d'entrefer disposées en « o ». Il est clair que, comme pour les roulements à billes : Les aimants (18) & ('18) (Sur la figure 7) ou (12) & (12') (Sur la figure 8) sont à fixer préférentiellement sur un arbre coaxial à l'axe (20) ; et que les aimants (19) & (`19) (Sur la figure 7) ou (11) (Sur la figure 8) sont à fixer préférentiellement sur un carter ou des chapes et sont coaxiaux à l'axe 20. Notons que les figures 8 & 9 peuvent aussi représenter un palier prismatique à guidage linéaire vu en coupe. Les aimants (1l) & (11') étant par exemple les rails de guidage et les aimants (12) & (12') & (12 ") & (121 étant le patin dit chariot. Ou inversement. Stabilité du montage. La stabilité radiale a déjà été évoquée précédemment. Analysons maintenant la stabilité longitudinale d'un palier constitué par exemple de deux demi-paliers à « structure multipolaires coniques antagonistes » ; Considérions les « structure multipolaires coniques antagonistes » (18) ('18) & (18') (`18') le long de l'axe 20 deux phénomènes apaisent simultanément. • Sur le coté ou (18) ('18) s'éloigne de (19)('19), « l'entrefer conique des surfaces multipolaires antagonistes» vas grandir et la répulsion locale entre (18) ('18) & (19') (1 9')vas diminuer. • Sur le coté ou (18) ('18) s'approche de (19') ('19') « l'entrefer conique des surfaces multipolaires antagonistes» vas décroître et la répulsion locale entre (18) ('18) & (19') ('19')vas croître • On va ainsi avoir une force de « rappel » axiale qui a tendance à ramener les « structures multipolaires coniques antagonistes » vers une position ou les « entrefers coniques des surfaces multipolaires antagonistes» des deux paliers magnétiques ont la même valeur d'épaisseur. On a donc un rappel longitudinal le long de l'axe (20) et donc une stabilité axiale. Un couple de « structures multipolaires coniques antagonistes » délimitant un « entrefer conique de surfaces multipolaires antagonistes» est un « demi-palier magnétique ». un « entrefer conique de surfaces multipolaires antagonistes» est caractérisé par le fait que tout au long d'une révolution les pôles antagonistes restent en vis à vis, ce qui implique que les dit pôles s'étendes sur une surface tronconique (de révolution autour de l'axe (20)) Un « entrefer prismatique de surfaces multipolaires antagonistes» est caractérisé par le fait que tout au long d'une translation les pôles antagonistes restent en vis à vis, ce qui implique que les dit pôles s'étendes sur une surface prismatique, et soient parallèles le long de l'axe du guidage. Un demi-palier magnétique a tendance à « s'ouvrir », car les forces de répulsions entre les « structures multipolaires coniques antagonistes » font que chaque partie du demi-palier se repoussent le long de l'axe (20) 9 Deux (ou plusieurs)« demi-paliers magnétique» montés en « X » ou en « O » constituent un « palier magnétique passif » auto stable car les forces d'ouverture se compensent. Remarques Il est précisé que, sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la 10 forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. II est aussi précisé que les figures représentent plusieurs modes de réalisation de l'objet selon l'invention, mais qu'il peut exister d'autres modes de réalisation qui 15 répondent à la définition de cette invention. Il est précisé que la partie fonctionnelle d'un demi-palier magnétique passif étant son entrefer les autres formes du demi-palier magnétique sont libres. Il est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de 20 réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si les modes de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustrés comportent plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins 25 un" de ces éléments. II est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, [par exemple E = E(p, 'c, s, ...)], ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand 30 cela est techniquement possible, soit séparément, [par exemple s, et/ou z, et/ou p, ...], soit en combinaison totale et/ou partielle, [par exemple E( e , T , p), et/ou E( s, i), et/ou E(t , p), et/ou E( s, p)]. 10 2954961 Exemple d'applications : La figure 7 montre la disposition avantageuse de deux «demi-paliers 5 magnétique coniques » , cette disposition peut donner lieu à la conception d'un moteur électrique ou autre dont l'arbre est coaxial à l'axe (20). Un tel moteur peut être de tout type notamment l'un des moteurs suivants : moteur "à cage d'écureuil", moteur triphasé, moteur monophasé, moteur asynchrone monophasé ou triphasé, moteur à rotor bobiné, moteur synchrone, moteur à courant 10 continu, moteur dit "brushless" ou moteur à commutation électronique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux seules représentations évoquées, dans le texte et les figures, qui ne sont données qu'à titre d'exemples. Par exemple, les parties concave et convexe sensiblement complémentaires des aimants d'un demi-palier ont été représentées sous une forme conique ou 15 tronconique et/ou équivalente, mais il est bien évident que d'autres formes peuvent être utilisées, notamment des formes polygonales, sphériques, cylindrique semicylindrique, torique, semi-torique, paraboliques, etc. ou analogues. II est aussi précisé que, au sens de la présente description, par "moteur", on entend aussi "génératrice" ou analogue, par exemple une dynamo, un palier à 20 rouleaux etc. On peut imaginer des applications telle que butée magnétique, guidage prismatique etc. L'invention peut bien entendu trouver de nombreuses autres applications que celles décrites ci-dessus. 25 En résumé l'invention couvre les configurations suivantes: 1/ demi-palier magnétique passif permettant de faire tourillonner un arbre par rapport à un carter, comportant deux aimants, l'un sur le rotor, l'autre sur le stator, caractérisé par le fait que l'entrefer situé entre les deux aimants a, en vis a vis des surfaces de polarités identiques qui se repoussent. 30 2/ demi-palier magnétique passif permettant de faire translater un patin par rapport à un guidage prismatique, comportant deux aimants, l'un sur le patin, l'autre sur le guide, caractérisé par le fait que l'entrefer situé entre les deux aimants a, en vis a vis des surfaces de polarités identiques qui se repoussent. 11 / demi-palier magnétique passif selon les alinéas 1&2 caractérisé par le fait que les surfaces en vis a vis dans l'entrefer présentent plusieurs et au moins un, pole(s) Nord ou pole(s) Sud placé(s) cote à cote sur chacune des surfaces en vis a vis dans l'entrefer et s `étendant parallèles au déplacement relatif des deux surfaces en vis à vis, de façon à ce que les pôles antagonistes se fassent toujours face. 4/ demi-palier magnétique passif selon les alinéas l à3 formant un palier magnétique passif auto stable caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre au moins deux demi-paliers magnétique passifs qui sont montés en « o » ou en « x » de telle sorte que la poussée de répulsion entre les deux aimants d'un demi-palier soit équilibrée par la poussée de répulsion de l'autre demi-palier. Ces demi-palier magnétique passif forment alors un palier magnétique passif auto stable . 12