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WO1998035167A1 - Palier magnetique rotatif a centrage actif le long de l'axe de rotation et a faible cout - Google Patents

Palier magnetique rotatif a centrage actif le long de l'axe de rotation et a faible cout Download PDF

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Publication number
WO1998035167A1
WO1998035167A1 PCT/FR1998/000225 FR9800225W WO9835167A1 WO 1998035167 A1 WO1998035167 A1 WO 1998035167A1 FR 9800225 W FR9800225 W FR 9800225W WO 9835167 A1 WO9835167 A1 WO 9835167A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
annular
radially
pole piece
magnetic bearing
axis
Prior art date
Application number
PCT/FR1998/000225
Other languages
English (en)
Inventor
Charles Lambert
Christophe Bernus
Original Assignee
Aerospatiale Societe Nationale Industrielle
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospatiale Societe Nationale Industrielle filed Critical Aerospatiale Societe Nationale Industrielle
Priority to JP53388498A priority Critical patent/JP2001511236A/ja
Priority to EP98908139A priority patent/EP0958459A1/fr
Priority to CA002277780A priority patent/CA2277780A1/fr
Publication of WO1998035167A1 publication Critical patent/WO1998035167A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0459—Details of the magnetic circuit
    • F16C32/0461—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit
    • F16C32/0465—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit with permanent magnets provided in the magnetic circuit of the electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0476—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of one degree of freedom, e.g. axial magnetic bearings

Definitions

  • the present invention relates to a rotary magnetic bearing for magnetically active centering, along a centering axis, of a body movable in rotation relative to another body around this axis.
  • Magnetic bearings or magnetic suspension devices have already been proposed which are suitable for integration into systems comprising parts in relative motion, between which an absence of contact is required.
  • Relative movements can be translations; however, they are most often rotations. In such rotating magnetic bearings, it is necessary to ensure magnetic centering along the axis of rotation but also along two radial axes.
  • rotating magnetic bearings There are two main categories of rotating magnetic bearings: first of all there are rotating magnetic bearings in which the axial centering along the axis of rotation is active, i.e. controlled by variable fields, while centering along two radial axes is passively ensured, thanks to static fields generated by magnets, such bearings are sometimes referred to as magnetic 1-axis active bearings. There are also rotary magnetic bearings in which axial centering is done passively while centering along two transverse axes is done so. active, such bearings are sometimes referred to as active 2-axis magnetic bearings
  • a magnetic bearing with 1 active axis has the particular advantage of providing a single control path, along this active axis, namely the axis of rotation. Such a bearing therefore requires simpler servo electronics than a magnetic bearing with two active axes for which a servo in two directions is required.
  • An active 1-axis magnetic bearing however has the drawback of requiring the use of an annular magnet with radial magnetization. Such a magnet with radial magnetization is in practice made up of several sectors produced individually and then bonded, the assembly being finally remanufactured. It is understood that the cost of a radially magnetized magnet is much higher than the cost of an annular magnet of the same dimensions but axially magnetized. This cost difference can go up to a ratio of 7/1.
  • document FR-2,732,734 describes in particular a magnetic centering device, along an axis of rotation ZZ, of a second body movable relative to a first body, comprising - a rotating magnetic bearing magnetically active according to the axis of rotation, and - two annular magnetic centralizers offset axially, along this axis of rotation, on either side of the magnetic bearing.
  • This magnetic centering device as shown diagrammatically in FIG. 1, comprises a first portion 1 and a second portion 2 which are mechanically independent and intended to be respectively secured to two bodies in relative movement A and B; They are adapted to have relative to each other a relative movement of rotation with respect to an axis of rotation Z-Z.
  • the first portion comprises, all around the axis of rotation, a radially external pole piece 3, on the one hand, and a radially internal pole piece 4, on the other hand, substantially magnetically insulated from the part radially outer pole, as well as an annular magnet 5 with permanent magnetization interposed between the radially outer pole piece and the radially inner pole piece.
  • the second portion comprises two closing pole pieces 6 and 7 offset axially from one another and arranged axially on either side of the pole pieces of the first portion, each closing pole piece comprising a radially outer annular section 6A or 7A disposed axially opposite an annular surface of the radially external pole piece through a radially external annular gap and a radially internal annular section 6B or 7B disposed axially opposite an annular surface of the pole piece internal to through a radially internal air gap.
  • the annular magnet 5 is radially magnetized, and the two radially outer and inner pole pieces are cylindrical. The edges of these cylindrical pole pieces are axially facing the edges of the closure pole pieces which have a C shape.
  • a position sensor 10 is provided for detecting the axial position of one of the portions 1 and 2 relative to the other, and servo electronics, not shown, determines the control currents to be applied to the aforementioned windings.
  • the aforementioned magnetic centralizers 11 and 12 are arranged radially outside the closure parts, and axially offset with respect to the other. These centralizers are in practice made up of crowns with permanent axial magnetization 11A, 11B, 12A and 12B arranged radially one inside the other.
  • the subject of the invention is a axially active rotary magnetic bearing along the axis of rotation, but the cost of which is much lower than that of a conventional active 1-axis rotary magnetic bearing.
  • the subject of the invention is a rotating magnetic bearing with an active 1-axis, the configuration of which makes it possible to combine a low cost and a small footprint, at least in the radial direction but preferably also in the axial direction, with a great flexibility of implantation, that is to say a certain flexibility in the choice of the overall shape of the bearing.
  • the basic idea of the invention is to obtain active centering along the axis of rotation using a permanent magnet magnetized parallel to this axis of rotation.
  • the invention thus proposes a rotary magnetic bearing with an active axis comprising first and second independent portions adapted to have, relative to one another, a relative movement of rotation relative to an axis of rotation, the first portion comprising, around the axis of rotation, a radially outer annular pole piece, a radially inner annular pole piece substantially magnetically insulated from the radially outer annular pole piece, an annular magnet with permanent magnetization interposed between a first portion connecting pole secured to the radially outer annular pole piece and a second connecting polar portion secured to the radially inner annular pole piece, the second portion comprising two annular closing pole pieces axially offset from one another and arranged axially from on either side of the first portion, each closing pole piece included nt a radially external annular wafer disposed axially opposite an annular surface of the radially external annular pole piece through a radially external annular air gap and a radially internal
  • one of the annular surfaces of the radially external annular pole piece which delimits the radially external air gaps is formed on said first connection portion
  • the radially external annular pole piece generally has a C section, the concavity of which faces the axis of rotation, and has a cylindrical wall connected to two transverse flanges, one of which comprises said first pole portion,
  • the winding is arranged radially inside the radially external annular pole piece, the winding extends radially at least from the cylindrical wall to the second polar connection portion,
  • the winding is formed by several elementary windings
  • the winding extends radially up to near at least one radially internal air gap
  • the radially internal pole piece has a generally T-shaped section and comprises a cylindrical wall connected in an intermediate portion to a transverse annular flange which comprises said second polar connecting portion
  • the magnet is part of two annular magnets with axial magnetizations of opposite directions, arranged on either side of this transverse annular flange, the radially external annular pole piece has generally a C section whose concavity is turned towards the axis and has a cylindrical wall connected to two transverse flanges, each magnet extending axially to one of these transverse flanges, - the second connecting portion is a transverse flange with respect to which the bearing is substantially axially symmetrical.
  • FIG. 1 is a schematic view in axial section of a known magnetic centering device comprising a rotary magnetic bearing with 1 active axis of a known type
  • FIG. 2 is a schematic view in axial section of a rotary magnetic bearing with an active 1-axis according to the invention
  • FIG. 3 is a view in accordance with that of FIG. 2, on which the lines of static flux generated by the permanent magnet appearing in this bearing appear,
  • FIG. 4 is a view similar to that of FIG. 2, on which appear not only static flux lines generated by the magnet, but also variable flux lines generated by the winding,
  • FIG. 5 is a right half-view in axial section showing, in a bearing similar to that of Figure 2, but with a very small air gap, the magnetic flux lines generated by the permanent magnet, as defined by simulation by finite element,
  • FIG. 6 is a view similar to that of Figure 5, on which the global flux lines appear, resulting from the simultaneous action of the permanent magnet and the circulation of a current in the winding, as defined by simulation by finite element
  • FIG. 7 is a view in axial section of another rotary magnetic bearing according to the invention.
  • FIG. 8 is an axial sectional view of yet another embodiment of a rotary magnetic bearing according to the invention.
  • This bearing conventionally comprises first and second mechanically independent portions 21 and 22 intended to be respectively secured to two bodies in relative movement A and B, for example a rotor B and a stator A These two parts 21 and 22 are adapted to have relative to each other a relative movement of rotation with respect to an axis of rotation ZZ
  • the first portion 21 comprises all around the axis of rotation, a radially external annular pole piece 23, on the one hand, and a radially internal annular pole piece 24, on the other hand
  • This pole piece 24 is substantially magnetically isolated vis- with respect to the pole piece 23
  • This first portion 21 further comprises an annular magnet 25 with permanent magnetization interposed between a first pole connection portion 23A secured to the radially outer pole piece 23 and a second pole connection portion 24A secured to the radially inner pole piece 24
  • the second portion 22 comprises two closing pole pieces 26 and 27 offset axially from one another and arranged axially on either side of the pole pieces of the first portion
  • Each closing pole piece 26 or 27 is a crown of which the current section is a C whose concavity is directed parallel to the axis
  • Each closing pole piece 26 or 27 comprises a radially external annular section 26A or 27A disposed axially opposite an annular surface of the radially external pole piece 23, through a radially outer annular air gap and a radially inner annular edge 26B or 27B disposed axially opposite an annular surface of the radially inner pole piece through a radially inner air gap
  • a position sensor (not shown) is provided to detect the axial position of one of the portions 21 and 22 relative to the other, and a control electronics (not shown), quite conventional, determines the control currents to be applied. to the above windings
  • the annular magnet 25 has permanent axial magnetization, and the first and second pole connecting portions 23A and 24A between which this annular magnet is interposed are arranged transversely to the axis and offset axially with respect to each other
  • the radially external pole piece is a crown whose section has the shape of a C whose concavity is turned towards the axis, this pole piece 23 comprising a cylindrical wall 23B connected to two annular flanges 23A and 23C extending in the direction of the axis up to the proximity of the radially external annular sections 26A and 27A of the closing pole pieces 26 and 27
  • the radially internal pole piece 24 is also a crown. Its section is a T, the bar of which is parallel to the axis while the rod is transverse to it. More specifically, this radially internal pole piece 24 comprises a cylindrical skirt 24B extending from one to the other of the two radially internal annular air gaps, and a transverse flange 24A situated in the intermediate position, here substantially at equal distance from the axial sections of the cylindrical skirt 24B.
  • this intermediate transverse flange 24A which constitutes the second pole connecting portion cited in connection with the annular magnet 25.
  • the coils 28 and 29 are arranged in the annular space remaining between the radially inner and outer pole pieces 23 and 24 In the example shown, the coil 28 occupies the bottom of the radially outer pole piece, along the cylindrical skirt 23B, radially up to the outer edge of the transverse flange 24A and up to the outer edge of the magnet annular 25, while the winding 29 occupies the space remaining between the winding 28 and the cylindrical skirt 24B of the radially internal pole piece, on the other side of the magnet 25 relative to the transverse flange 24A
  • the coils 28 and 29 can be replaced by a single coil
  • FIGS 3 and 4 show the flux lines likely to flow in the pole pieces of the bearing of Figure 2, depending on whether or not there is current flow in the windings 28 and 29
  • the structural asymmetry of the bearing with respect to a transverse plane results in a difference in axial thickness between the top and bottom air gaps, at zero of the magnetic forces, that is to say in the equilibrium configuration when only the magnet generates flux lines the upper air gaps will be a few microns weaker than the lower air gaps, when the spring is slaved
  • FIGS. 5 and 6 visualize the magnetic flux lines, as they can be determined by simulation by finite elements in the case of a particular embodiment of a magnetic bearing according to the diagram in FIG. 2, in the case where the current flowing in the windings is zero (FIG. 5) and in the case (FIG. 6) where a current is applied, as in the example in FIG. 4 to the own winding to generate flux lines adding to the static flux lines of the magnet in the lower air gaps.
  • the magnetic bearing considers has air gaps whose nominal thickness is 0.3 mm, the maximum diameter, as it can be measured along the outer surface of the cylindrical skirt of the radially outer pole piece, is 74 mm, while the total height, from the lower surface of the lower closing pole piece to the upper surface of the upper closing pole piece is 42 mm
  • This bearing has an axial stiffness of 150 N / mm
  • the geometry of the rotary magnetic bearing of FIG. 2 allows a significant cost reduction compared to the configuration of FIG. 1 since it uses a magnet with permanent axial magnetization instead of a magnet with permanent radial magnetization as as indicated above, the cost reduction for the magnet can reach approximately 1/7.
  • the configuration of the bearing in FIG. 2 also makes it possible, if desired, to use only one winding. control currents can be simplified
  • the winding of the invention can indeed be wound directly on the radially internal pole piece of the bearing on which the magnet will have been bonded beforehand. It is possible to give any desired shape to the winding. It may be noted that this winding is completely protected by the radially outer pole piece of the bearing Finally, it is interesting to note that thanks to its C shape, the radially external pole piece can have a radial bulk greater than that of the closing pole pieces.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment in which the conventional principle of symmetry of the bearing with respect to a transverse plane is respected.
  • This variant is essentially distinguished from the configuration of FIG. 2 by the fact that the single magnet 25 in FIG. 2 is HERE replaced by two magnets 35A and 35B with axial but opposite magnetizations, each disposed between the median transverse flange 34A of the radially inner pole piece 34 and the transverse lateral flanges 33A and 33C of the radially outer pole piece 33
  • a single coil 38, of generally rectangular section is provided, located radially between the bottom of this radially outer pole piece 33 and the two magnets 35A and 35B
  • This bearing designated under the general reference 30, comprises elements whose reference numbers are deduced from those of FIG. 2 by adding the number 10
  • Figure 8 gives yet another alternative embodiment of a rotary magnetic bearing according to the invention this bearing 40 differs essentially from that of FIG. 7 by the fact that the overall outside diameter of the radially external pole piece is smaller than for the bearing of FIG. 7
  • the reference numbers are deduced from those of this FIG. 7 by adding the number 10 Le winding 38 interposed radially between the magnets 45A and 45B on the one hand, and the bottom of the radially outer pole piece 43 is therefore smaller
  • additional windings 39A and 39B are arranged radially between the magnets 45A and 45B and the cylindrical skirt 44B of the radially internal pole piece The combination of these three windings can turn out to have the same induction capacity as the single winding 38 of FIG.

Landscapes

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Abstract

Un palier magnétique rotatif à 1-axe actif comporte: une première portion comportant, autour d'un axe de rotation, deux pièces polaires annulaires radialement externe (23) et interne (24) et un aimant annulaire à aimantation permanente (25) interposé entre une première portion polaire de liaison solidaire de la pièce polaire annulaire radialement externe et une seconde portion polaire de liaison solidaire de la pièce polaire annulaire radialement interne; une seconde portion comportant deux pièces polaires annulaires de fermeture (26, 27) disposées axialement de part et d'autre de la première portion, et comportant des tranches annulaires (26A, 27A) disposées axialement en regard des pièces polaires annulaires au travers d'entrefers annulaires. L'aimant annulaire (25) est à aimantation axiale, et les première et seconde portions polaires de liaison (23A, 24A) entre lesquelles l'aimant permanent est interposé sont disposées transversalement à l'axe.

Description

Palier magnétique rotatif à centrage actif le long de l'axe de rotation et à faible coût.
Le présente invention concerne un palier magnétique rotatif pour le centrage magnétiquement actif, selon un axe de centrage, d'un corps mobile en rotation par rapport à un autre corps autour de cet axe.
On a déjà proposé des paliers magnétiques ou des dispositifs de suspension magnétique adaptés à s'intégrer dans des systèmes comportant des pièces en mouvement relatif, entre lesquels une absence de contact est requise.
Les mouvements relatifs peuvent être des translations ; elles sont toutefois le plus souvent des rotations. Dans de tels paliers magnétiques rotatifs, il est nécessaire d'assurer un centrage magnétique selon l'axe de rotation mais aussi selon deux axes radiaux.
On sait depuis longtemps qμ'il est impossible d'obtenir une suspension magnétique stable selon trois directions par la simple utilisation de champs statiques tels que des champs générés par des aimants : il faut donc associer à des champs magnétiques statiques (aimant permanent) des champs magnétiques variables (courants passant dans des bobinages) pour permettre la suspension d'un corps.
On connaît deux grandes catégories de paliers magnétiques rotatifs : il y a tout d'abord les paliers magnétiques rotatifs dans lesquels le centrage axial, le long de l'axe de rotation, est actif, c'est-à-dire commandé par des champs variables, tandis que le centrage selon deux axes radiaux est assuré de façon passive, grâce à des champs statiques générés par des aimants , de tels paliers sont parfois désignes sous l'appellation de paliers magnétiques 1-axe actif II y a par ailleurs des paliers magnétiques rotatifs dans lesquels le centrage axial se fait de façon passive tandis que le centrage selon deux axes transversaux se fait de façon active , de tels paliers sont parfois désignés sous l'appellation de paliers magnétiques 2-axes actifs
Un exemple de palier magnétique à deux axes de centrage actifs est donné dans le document EP-0.284 487
Un palier magnétique à 1-axe actif a notamment pour avantage de prévoir une seule voie d'asservissement, selon cet axe actif, à savoir l'axe de rotation. Un tel palier nécessite donc une électronique d'asservissement plus simple qu'un palier magnétique à deux axes actifs pour lesquels il faut un asservissement selon deux directions. Un palier magnétique 1-axe actif a toutefois comme inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre d'un aimant annulaire à aimantation radiale Un tel aimant à aimantation radiale est en pratique constitué de plusieurs secteurs fabriqués individuellement puis collés, l'ensemble étant finalement réusiné. On comprend que le coût d'un aimant aimanté radialement est très supérieur au coût d'un aimant annulaire de mêmes dimensions mais aimanté axialement. Cette différence de coût peut aller jusqu'à un rapport de 7/1.
Toutefois, c'est cette configuration de palier magnétique rotatif à 1-axe actif qui semble la mieux adaptée au cas où l'on souhaite réaliser des paliers magnétiques de petite taille.
A titre d'exemple, le document FR-2.732.734 décrit notamment un dispositif de centrage magnétique, selon un axe de rotation Z-Z, d'un second corps mobile par rapport à un premier corps, comportant - un palier magnétique rotatif magnétiquement actif selon l'axe de rotation, et - deux centreurs magnétiques annulaires décalés axialement, le long de cet axe de rotation, de part et d'autre du palier magnétique.
Ce dispositif de centrage magnétique, tel que schématisé sur la figure 1 , comprend une première portion 1 et une seconde portion 2 qui sont mécaniquement indépendantes et destinées à être respectivement solidarisées à deux corps en mouvement relatif A et B ; Elles sont adaptées à avoir l'une par rapport à l'autre un mouvement relatif de rotation par rapport à un axe de rotation Z-Z.
La première portion comporte, tout autour de l'axe de rotation, une pièce polaire radialement externe 3, d'une part, et une pièce polaire radialement interne 4, d'autre part, sensiblement isolée magnétiquement vis-à- vis de la pièce polaire radialement externe, ainsi qu'un aimant annulaire 5 à aimantation permanente interposé entre la pièce polaire radialement externe et la pièce polaire radialement interne. La seconde portion comporte deux pièces polaires de fermeture 6 et 7 décalées axialement l'une de l'autre et disposées axialement de part et d'autre des pièces polaires de la première portion, chaque pièce polaire de fermeture comportant une tranche annulaire radialement externe 6A ou 7A disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire radialement externe au travers d'un entrefer annulaire radialement externe et une tranche annulaire radialement interne 6B ou 7B disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire interne au travers d'un entrefer radialement interne.
L'aimant annulaire 5 est à aimantation radiale, et les deux pièces polaires radialement externe et interne sont cylindriques. Les tranches de ces pièces polaires cylindriques sont en regard axialement des tranches des pièces polaires de fermeture qui ont une forme en C.
De part et d'autre axialement de l'aimant annulaire sont disposés deux bobinages 8 et 9 centrés sur l'axe de rotation Z-Z. Ils sont axialement en saillie par rapport aux pièces polaires radialement externe et interne, jusqu'à pénétrer à l'intérieur des pièces polaires de fermeture. Ces bobinages doivent donc être capables de concerner par eux-mêmes leur forme.
Un capteur de position 10 est prévu pour détecter la position axiale de l'une des portions 1 et 2 par rapport à l'autre, et une électronique d'asservissement non représentée détermine des courants de contrôle à appliquer aux bobinages précités. Pour assurer une bonne stabilité du dispositif de centrage magnétique même lorsque les éléments précités sont de petite taille, les centreurs magnétiques précités 11 et 12 sont disposés radialement à l'extérieur des pièces de fermeture, et décalés axialement les uns vis-à-vis des autres. Ces centreurs sont en pratique constitués de couronnes à aimantation permanente axiale 11A, 11B, 12A et 12B disposées radialement l'une à l'intérieur de l'autre.
Une telle disposition qui donne tout à fait satisfaction présente toutefois certaines contraintes d'implantation puisque les centreurs doivent en pratique avoir un diamètre supérieur à celui des pièces de fermeture, et donc un diamètre supérieur au diamètre global maximum du palier magnétique pris dans son ensemble.
L'invention a pour objet un palier magnétique rotatif axialement actif le long de l'axe de rotation, mais dont le coût soit bien moindre que celui d'un palier magnétique rotatif à 1-axe actif classique. A titre subsidiaire, l'invention a pour objet un palier magnétique rotatif à 1-axe actif dont la configuration permette de combiner un faible coût et un faible encombrement, au moins dans le sens radial mais de préférence aussi dans le sens axial, avec une grande souplesse d'implantation, c'est-à-dire une certaine souplesse dans le choix de la forme globale du palier.
L'idée de base de l'invention est d'obtenir un centrage actif selon l'axe de rotation à l'aide d'un aimant permanent aimanté parallèlement à cet axe de rotation.
Comme cela ressort de ce qui précède, il en résulte une réduction très sensible du coût. L'invention propose ainsi un palier magnétique rotatif a -axe actif comportant de première et seconde portions indépendantes adaptées à avoir, l'une par rapport à l'autre, un mouvement relatif de rotation par rapport a un axe de rotation, la première portion comportant, autour de l'axe de rotation, une pièce polaire annulaire radialement externe, une pièce polaire annulaire radialement interne sensiblement isolée magnétiquement vis-a-vis de la pièce polaire annulaire radialement externe, un aimant annulaire a aimantation permanente interposé entre une première portion polaire de liaison solidaire de la pièce polaire annulaire radialement externe et une seconde portion polaire de liaison solidaire de la pièce polaire annulaire radialement interne, la seconde portion comportant deux pièces polaires annulaires de fermeture décalées axialement l'une de l'autre et disposées axialement de part et d'autre de la première portion, chaque pièce polaire de fermeture comportant une tranche annulaire radialement externe disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire annulaire radialement externe au travers d'un entrefer annulaire radialement externe et une tranche annulaire radialement interne disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire annulaire radialement interne au travers d'un entrefer radialement interne, ce palier étant caractérisé en ce que l'aimant annulaire est à aimantation axiale, et les première et seconde portions polaires de liaison entre lesquelles l'aimant permanent est interposé sont disposées transversalement a l'axe et décalées axialement l'une vis-à-vis de l'autre
Selon des dispositions préférées de l'invention, éventuellement combinées - l'une des surfaces annulaires de la pièce polaire annulaire radialement externe qui délimite les entrefers radialement externes est ménagée sur ladite première portion de liaison,
- la pièce polaire annulaire radialement externe a globalement une section en C dont la concavité est tournée vers l'axe de rotation, et comporte une paroi cylindrique raccordée à deux flasques transversaux dont l'un comporte ladite première portion polaire,
- le bobinage est disposé radialement à l'intérieur de la pièce polaire annulaire radialement externe, - le bobinage s'étend radialement au moins depuis la paroi cylindrique jusqu'à la seconde portion polaire de liaison,
- le bobinage est formé de plusieurs bobinages élémentaires,
- le bobinage s'étend radialement jusqu'à proximité d'au moins un entrefer radialement interne, - la pièce polaire radialement interne a globalement une section en T et comporte une paroi cylindrique raccordée en une portion intermédiaire à un flasque annulaire transversal qui comporte ladite seconde portion polaire de liaison,
- l'aimant fait partie de deux aimants annulaires à aimantations axiales de sens opposés, disposés de part et d'autre de ce flasque annulaire transversal, la pièce polaire annulaire radialement externe a globalement une section en C dont la concavité est tournée vers l'axe et comporte une paroi cylindrique raccordée à deux flasques transversaux, chaque aimant s'étendant axialement jusqu'à l'un de ces flasques transversaux, - la seconde portion de liaison est un flasque transversal par rapport auquel le palier est sensiblement symétrique axialement.
Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif de centrage magnétique connu comportant un palier magnétique rotatif à 1-axe actif d'un type connu,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un palier magnétique rotatif à 1-axe actif conforme à l'invention,
- la figure 3 est une vue conforme a celle de la figure 2, sur laquelle apparaissent les lignes de flux statique générées par l'aimant permanent que comporte ce palier,
- la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2, sur laquelle apparaissent, non seulement des lignes de flux statique générées par l'aimant, mais aussi des lignes de flux variable générées par le bobinage,
- la figure 5 est une demi-vue droite en coupe axiale montrant, dans un palier similaire à celui de la figure 2, mais a entrefer très faible, les lignes de flux magnétique générées par l'aimant permanent, telles que définies par simulation par élément fini,
- la figure 6 est une vue analogue à celle de la figure 5, sur laquelle apparaissent les lignes de flux global, résultant de l'action simultanée de l'aimant permanent et de la circulation d'un courant dans le bobinage, telles que définies par simulation par élément fini, - la figure 7 est une vue en coupe axiale d'un autre palier magnétique rotatif conforme à l'invention, et
- la figure 8 est une vue en coupe axiale d'encore un autre exemple de réalisation d'un palier magnétique rotatif conforme à l'invention.
La géométrie d'un premier palier magnétique rotatif 20 à 1-axe actif conforme à l'invention est représentée aux figures 2 à 4
Ce palier comporte de façon classique de première et seconde portions 21 et 22 mécaniquement indépendantes destinées à être respectivement solidarisées à deux corps en mouvement relatif A et B, par exemple un rotor B et un stator A Ces deux pièces 21 et 22 sont adaptées à avoir l'une par rapport à l'autre un mouvement relatif de rotation par rapport à un axe de rotation Z-Z
La première portion 21 comporte tout autour de l'axe de rotation, une pièce polaire annulaire radialement externe 23, d'une part, et une pièce polaire annulaire radialement interne 24, d'autre part Cette pièce polaire 24 est sensiblement isolée magnétiquement vis-a-vis de la pièce polaire 23 Cette première portion 21 comporte en outre un aimant annulaire 25 a aimantation permanente interpose entre une première portion polaire de liaison 23A solidaire de la pièce polaire radialement externe 23 et une seconde portion polaire de liaison 24A solidaire de la pièce polaire radialement interne 24
La seconde portion 22 comporte deux pièces polaires de fermeture 26 et 27 décalées axialement l'une de l'autre et disposées axialement de part et d'autre des pièces polaires de la première portion Chaque pièce polaire de fermeture 26 ou 27 est une couronne dont la section courante est un C dont la concavité est dirigée parallèlement à l'axe Chaque pièce polaire de fermeture 26 ou 27 comporte une tranche annulaire radialement externe 26A ou 27A disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire radialement externe 23, au travers d'un entrefer annulaire radialement externe et une tranche annulaire radialement interne 26B ou 27B disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire radialement interne au travers d'un entrefer radialement interne
Entre les pièces polaires radialement externe et interne 23 et 24 sont disposés deux bobinages 28 et 29 centrés sur l'axe de rotation Z-Z
Un capteur de position non représenté est prévu pour détecter la position axiale de l'une des portions 21 et 22 par rapport à l'autre, et une électronique d'asservissement non représentée, tout à fait classique, détermine des courants de contrôle à appliquer aux bobinages précités
Selon l'invention, l'aimant annulaire 25 est a aimantation permanente axiale, et les première et seconde portions polaires de liaison 23A et 24A entre lesquelles cet aimant annulaire est interposé sont disposées transversalement à l'axe et décalées axialement l'une par rapport à l'autre
Pour ce faire, dans l'exemple représenté, la pièce polaire radialement externe est une couronne dont la section a la forme d'un C dont la concavité est tournée vers l'axe, cette pièce polaire 23 comportant une paroi cylindrique 23B raccordée à deux flasques annulaires 23A et 23C s'étendant en direction de l'axe jusqu'à proximité des tranches annulaires radialement externes 26A et 27A des pièces polaires de fermeture 26 et 27
Ce sont les extrémités radialement internes de ces flasques annulaires 23A et 23C qui constituent les surfaces annulaires précitées qui déterminent les entrefers annulaires radialement externes en combinaison avec les tranches annulaires radialement externes 26A ou 27A
C'est d'autre part l'un de ces flasques annulaires, ICI le flasque 23A, qui constitue la première portion polaire de liaison indiquée ci-dessus à propos de l'aimant annulaire 25
La pièce polaire radialement interne 24 est également une couronne. Sa section est un T, dont la barre est parallèle à l'axe tandis que la tige lui est transversale. Plus précisément, cette pièce polaire radialement interne 24 comporte une jupe cylindrique 24B s'étendant de l'un à l'autre des deux entrefers annulaires radialement internes, et un flasque transversal 24A situé en position intermédiaire, ici sensiblement à égale distance des tranches axiales de la jupe cylindrique 24B.
C'est ce flasque transversal intermédiaire 24A qui constitue la seconde portion polaire de liaison citée à propos de l'aimant annulaire 25. Les bobinages 28 et 29 sont disposés dans l'espace annulaire subsistant entre les pièces polaires radialement interne et externe 23 et 24 Dans l'exemple représenté, le bobinage 28 occupe le fond de la pièce polaire radialement externe, le long de la jupe cylindrique 23B, radialement jusqu'auprès de la tranche externe du flasque transversal 24A et jusqu'à la tranche externe de l'aimant annulaire 25, tandis que le bobinage 29 occupe l'espace subsistant entre le bobinage 28 et la jupe cylindrique 24B de la pièce polaire radialement interne, de l'autre côté de l'aimant 25 par rapport au flasque transversal 24A
Bien entendu, en variante non représentée, les bobinages 28 et 29 peuvent être remplaces par un bobinage unique
Les figures 3 et 4 visualisent les lignes de flux susceptibles de circuler dans les pièces polaires du palier de la figure 2, selon qu'il y a ou non passage de courant dans les bobinages 28 et 29
Sur la figure 3, seules les lignes de flux statique de l'aimant 25 sont représentées
On observe que ces lignes de flux statique se partagent entre des boucles magnétiques supérieures et des boucles magnétiques inférieures Les boucles magnétiques supérieures circulent dans les portions polaires 23A, 23B, 23C, 26 puis 24B, sur une moitié de sa hauteur et 24A Par contre les boucles magnétiques inférieures, beaucoup plus courtes, traversent la portion polaire d'appui 24B dans le sens de l'épaisseur (donc dans le sens axial), la pièce polaire 27, la jupe cylindrique 24B sur la moitié de sa hauteur et le flasque transversal 24A
On voit ainsi que les lignes de flux des boucles magnétiques supérieures parcourent un trajet magnétique bien plus important que les lignes de flux des boucles magnétiques inférieures II en résulte des fuites plus importantes (pouvant aller jusqu'à 30 % du flux total de l'aimant) que pour la solution classique représentée par exemple à la figure 1 (fuites d'environ 5 % du flux total de l'aimant). Toutefois, ce phénomène peut être très facilement compensé en augmentant le volume d'aimant
Par ailleurs la dissymétrie structurelle du palier par rapport à un plan transversal se traduit par une différence d'épaisseur axiale entre les entrefers haut et bas, au zéro des forces magnétiques, c'est-à-dire dans la configuration d'équilibre lorsque seul l'aimant génère des lignes de flux les entrefers supérieurs seront plus faibles de quelques microns que les entrefers inférieurs, lorsque le ressort sera asservi
Ainsi que cela ressort de la figure 4, le passage d'un courant dans les bobinages 28 et 29 induit l'apparition de grandes boucles magnétiques, puisque les lignes de flux magnétique résultantes parcourent la jupe cylindrique 24B, la pièce polaire de fermeture 26, les portions 23C, 23B et 23A de la pièce polaire radialement externe et la pièce polaire de fermeture inférieure 27
Bien entendu la circulation dans les bobinages d'un courant de sens inverse induit l'apparition de lignes de flux magnétique circulant en sens inverse
Dans l'exemple représenté à la figure 4, on comprend que le passage d'un courant, dans le sens choisi, dans les bobinages, se traduit par une diminution du flux circulant dans les entrefers supérieurs et une augmentation du flux magnétique traversant les entrefers inférieurs II en résulte un effort relatif axial entre les portions 21 et 22 Si la pièce 21 est fixée à un stator A et si la portion 22 est fixée à un rotor mobile par rapport au stator A, l'effort relatif axial entre les éléments 21 et 22 correspond à l'application d'un effort axial vers le haut sur le rotor B : le rotor remonte
On a donc bien un palier magnétique rotatif à 1-axe actif Les figures 5 et 6 visualisent les lignes de flux magnétique, telles qu'elles peuvent être déterminées par simulation par éléments finis dans le cas d'un exemple particulier de réalisation d'un palier magnétique conforme au schéma de la figure 2, dans le cas où le courant circulant dans les bobinages est nul (figure 5) et dans le cas (figure 6) où on applique, comme dans l'exemple de la figure 4, un courant au bobinage propre à générer des lignes de flux s'ajoutant aux lignes de flux statique de l'aimant dans les entrefers inférieurs. Le palier magnétique considère a des entrefers dont l'épaisseur nominale est de 0,3 mm, le diamètre maximum, tel qu'il peut être mesure le long de la surface extérieure de la jupe cylindrique de la pièce polaire radialement externe, est de 74 mm, tandis que la hauteur totale, depuis la surface inférieure de la pièce polaire de fermeture inférieure jusqu'à la surface supérieure de la pièce polaire de fermeture supérieure est de 42 mm Ce palier a une raideur axiale de 150 N/mm On peut noter que, dans la figure 5, il y a six lignes de flux qui circulent dans chacun des entrefers, qu'ils soient inférieurs ou supérieurs Par contre, dans la figure 6, il n'y a plus que trois lignes de flux qui traversent effectivement les entrefers supérieurs, tandis que les lignes de flux qui traversent les entrefers inférieurs sont au nombre de sept
On peut noter que la géométrie du palier magnétique rotatif de la figure 2 permet une réduction de coût sensible par rapport à la configuration de la figure 1 puisqu'elle utilise un aimant a aimantation permanente axiale au lieu d'un aimant à aimantation permanente radiale comme cela a été indiqué ci-dessus, la réduction de coût pour l'aimant peut atteindre environ 1/7 La configuration du palier de la figure 2 permet en outre, si cela est souhaité, de n'utiliser qu'un seul bobinage La commande des courants de contrôle peut s'en trouver simplifiée
Il est important de noter, à propos des bobinages, que ceux-ci n'ont pas besoin d'être autoportants, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas besoin d'avoir une rigidité intrinsèque suffisante pour pouvoir garantir le maintien de leur forme La figure 1 , correspondant à un palier magnétique classique, implique pourtant l'utilisation de tels bobinages autoportants
Le bobinage de l'invention peut en effet être bobiné directement sur la pièce polaire radialement interne du palier sur laquelle on aura collé préalablement l'aimant II est possible de donner n'importe quelle forme souhaitée au bobinage On peut noter que ce bobinage est complètement protégé par la pièce polaire radialement externe du palier Enfin il est intéressant de noter que grâce à sa forme en C la pièce polaire radialement externe peut avoir un encombrement radial supérieur a celui des pièces polaires de fermeture Cela a notamment comme avantage de permettre de choisir indépendamment le dimensionnement des pièces polaires de fermeture, d'une part, et celui de la pièce polaire radialement externe, d'autre part C'est ainsi par exemple que le palier de la figure 2 se prête particulièrement bien à une coopération avec des centreurs magnétiques tels que ceux figurés à la figure 1 Le résultat peut être très compact En effet, la configuration de la figure 2 permet de situer les pièces polaires de fermeture à l'intérieur radialement de tels centreurs magnétiques, tout en permettant que les pièces polaires radialement externes puissent s'étendre radialement vers l'extérieur, jusqu'à occuper au mieux le volume existant axialement entre les centreurs magnétiques
La figure 7 montre une variante de réalisation dans laquelle est respecté le principe classique de symétrie du palier par rapport à un plan transversal. Cette variante de réalisation se distingue essentiellement de la configuration de la figure 2 par le fait que l'aimant 25 unique de la figure 2 est ICI remplacé par deux aimants 35A et 35B à aimantations axiales, mais opposées, disposé chacun entre le flasque transversal médian 34A de la pièce polaire radialement interne 34 et les flasques latéraux transversaux 33A et 33C de la pièce polaire radialement externe 33 Un seul bobinage 38, de section globalement rectangulaire est prévu, situé radialement entre le fond de cette pièce polaire radialement externe 33 et les deux aimants 35A et 35B
Ce palier, désigné sous la référence générale 30, comporte des éléments dont les numéros de référence se déduisent de ceux de la figure 2 par addition du chiffre 10
La symétrie structurelle du palier de la figure 7 se traduit par une symétrie des entrefers, au zéro des forces magnétiques
La figure 8 donne encore une autre variante de réalisation d'un palier magnétique rotatif conforme à l'invention ce palier 40 se différencie essentiellement de celui de la figure 7 par le fait que le diamètre global extérieur de la pièce polaire radialement externe est plus petit que pour le palier de la figure 7 Les numéros de référence se déduisent de ceux de cette figure 7 par addition du chiffre 10 Le bobinage 38 interposé radialement entre les aimants 45A et 45B d'une part, et le fond de la pièce polaire radialement externe 43 est donc plus petit Toutefois des bobinages supplémentaires 39A et 39B sont disposés radialement entre les aimants 45A et 45B et la jupe cylindrique 44B de la pièce polaire radialement interne La combinaison de ces trois bobinages peut se révéler avoir la même capacité d'induction que le bobinage unique 38 de la figure 7, dans un espace toutefois plus petit Cet exemple montre bien la capacité de la configuration du palier magnétique rotatif de l'invention à s'adapter au mieux au volume disponible Cette configuration est en conséquence particulièrement bien adaptée à la réalisation de paliers magnétiques rotatifs de petite taille mais compacts II va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention

Claims

REVENDICATIONS 1 Palier magnétique rotatif à 1-axe actif comportant de première et seconde portions (21 , 22, 31 32, 41 , 42) indépendantes adaptées à avoir, l'une par rapport a l'autre, un mouvement relatif de rotation par rapport a un axe de rotation (Z-Z), la première portion comportant, autour de l'axe de rotation, une pièce polaire annulaire radialement externe (23, 33, 43), une pièce polaire annulaire radialement interne (24, 34, 44) sensiblement isolée magnétiquement vis-a-vis de la pièce polaire annulaire radialement externe, un aimant annulaire a aimantation permanente (25, 35A, 35B, 45A, 45B) interpose entre une première portion polaire de liaison solidaire de la pièce polaire annulaire radialement externe et une seconde portion polaire de liaison solidaire de la pièce polaire annulaire radialement interne, la seconde portion comportant deux pièces polaires annulaires de fermeture (26, 27, 36, 37, 46, 47) décalées axialement l'une de l'autre et disposées axialement de part et d'autre de la première portion, chaque pièce polaire de fermeture comportant une tranche annulaire radialement externe
(26A, 27A) disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire annulaire radialement externe au travers d'un entrefer annulaire radialement externe et une tranche annulaire radialement interne disposée axialement en regard d'une surface annulaire de la pièce polaire annulaire radialement interne au travers d'un entrefer radialement interne, ce palier étant caractérisé en ce que l'aimant annulaire (25, 35A, 35B, 45A, 45B) est à aimantation axiale, et les première et seconde portions polaires de liaison (23A, 33A, 43A , 24A, 34A, 44A) entre lesquelles l'aimant permanent est interposé sont disposées transversalement à l'axe et décalées axialement l'une vis-à-vis de l'autre
2. Palier magnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'une des surfaces annulaires de la pièce polaire annulaire radialement externe qui délimite les entrefers radialement externes est ménagée sur ladite première portion de liaison (23A, 33A, 43A).
3. Palier magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce polaire annulaire radialement externe (23, 33, 43) a globalement une section en C dont la concavité est tournée vers l'axe de rotation, et comporte une paroi cylindrique (23B, 33B, 43B) raccordée à deux flasques transversaux dont l'un comporte ladite première portion polaire.
4. Palier magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bobinage (28, 29, 38, 48, 49A, 49B) est disposé radialement à l'intérieur de la pièce polaire annulaire radialement externe.
5. Palier magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bobinage s'étend radialement au moins depuis la paroi cylindrique jusqu'à la seconde portion polaire de liaison.
6. Palier magnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bobinage est formé de plusieurs bobinages élémentaires.
7. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bobinage s'étend radialement jusqu'à proximité d'au moins un entrefer radialement interne.
8. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce polaire radialement interne a globalement une section en T et comporte une paroi cylindrique (24B, 34B, 44B) raccordée en une portion intermédiaire à un flasque annulaire transversal qui comporte ladite seconde portion polaire de liaison.
9. Palier magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'aimant fait partie de deux aimants annulaires à aimantations axiales de sens opposés, disposés de part et d'autre de ce flasque annulaire transversal, la pièce polaire annulaire radialement externe a globalement une section en C dont la concavité est tournée vers l'axe et comporte une paroi cylindrique (33B, 43B) raccordée à deux flasques transversaux, chaque aimant s'étendant axialement jusqu'à l'un de ces flasques transversaux
10 Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la seconde portion de liaison est un flasque transversal par rapport auquel le palier est sensiblement symétrique axialement
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