CH628472A5

CH628472A5 - Roue d'inertie.

Info

Publication number: CH628472A5
Application number: CH253578A
Authority: CH
Inventors: Pierre Poubeau
Original assignee: Aerospatiale
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1982-02-26
Also published as: DE2811282C2; GB1598122A; FR2384174B1; CA1127233A; DE2811282A1; IT7848431A0; IT1105200B; FR2384174A1; JPS53114200A; US4211452A

Description

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REVENDICATIONS La présente invention concerne les roues d'inertie et vise

1. Roue d'inertie, caractérisée en ce qu'elle comporte la plus particulièrement l'application spatiale qui en est faite, combinaison: On sait que les roues d'inertie à usage spatial peuvent être

- d'un volant possédant une jante adaptable à masse va- utilisées en roue de réaction (reaction wheel) ou en roue cinéti-riable ; 5 que (momentum wheel) selon le résultat que l'on désire obtenir.

- d'un moteur d'entraînement périphérique dudit volant Les roues de réaction sont utilisées soit unitairement, soit comportant, d'une part, un rotor lié au dit volant et constitué par deux ou par trois dans des systèmes de pilotage à un, deux d'un anneau d'aimants permanents en nombre np pair d'aiman- ou trois axes et elles fonctionnent en vernier à vitesse moyenne tation radiale à la polarité alternée, avec une largeur périphéri- nulle dans les deux sens de rotation, leur vitesse maximale que d'aimants Pp et un pas magnétique Pm liés entre eux par la io n'étant, en général, pas très élevée.

. . n 3Pp, „ ^ . , ,, Dans une application spécifique pour le stockage d'énergie à

relation Pm=—d autre part, un stator constitue d un en- ... , - , . ...

2 partir de panneaux solaires, deux roues cinetiques peuvent fonc-

roulement conformé, d'abord en bobines par paire de brins tionner en contre-rotation sur le même axe et la vitesse de rota-

, , , Pp . , ,. tion est alors la plus élevée possible.

montants et descendants de largeur —— puis, selon une dis- T ,,. ,. , ,, . . , ,

, b 2 15 Les roues d inertie, qu elles soient conformées en roues de position en groupes de bobines connectées entre elles, réaction ou en roue cinétique et, a fortiori, tous les corps en

, ,. ^ „ ... . rotation soumis aux mêmes contraintes, ont en commun un mo-

ledit rotor étant dispose en regard dudit stator afin que le , j * • • \ „

r ^ . , , . n . teur d entraînement du rotor ainsi que des paliers supportant ce champ magnetique radial dudit rotor croise les brins actifs de . . , „ , . . , . , , ,

* p» ^ rotor et, dans 1 usage spécifique qui en est présentement fait, le largeur —de l'enroulement dudit stator, tandis qu'un dis- 20 rapport du moment d'inertie à la masse totale doit être le plus

élevé oossible positif de commutation (23) du courant sur lesdits groupes de La recherche de solutions leg ]es différents bobines de 1 enroulement du stator provoque 1 entraînement du- pojnts évQqués d_dessus a antéAeUrement, le titulaire à

1 rotor en e an associe a un organe e comman e qui en procéder au dépôt de plusieurs demandes de brevet en France.

détecte sa position angulaire; 25 C'est ainsi, en particulier, que le brevet français No. 6 924 210

- de paliers magnetiques radial passif et axial actif avec , .. \ ^

. 1 „ 6 . 7, . , K. . . , du 16 juillet 1969 décrit un type de moteur a aimants perma-

asservissement, a partir d un signal de vitesse axiale, au moyen . , • , - . „ v 4

,, b nents penphenques et a stator sans matériau ferromagnetique d un actuateur associe a un détecteur de vitesse axiale, ledit assurant rélimi^tion des rtes h térésis et cour6ant d4e actuateur et ledit detecteur de vitesse axiale auquel il est asservi, Foucault ainsi rélimination de la raideur né tive ite comportant I un et 1 autre des bobines redondantes. ■ i ~ i -4.* • , ® r,,

X n , 30 axiale ou radiale qui apparaît toujours avec la presence d un

2. Roue d inertie selon la revendication 1, caractensee en ce _ , l A A

, „ , /. . , — matenau ferromagnetique dans le stator du moteur.

que la redondance de "asservissement magnetique axial est ob- „ . £ . , v ^ ,

7 j .v u .. 1 ^ u u- 1 4. Toutefois, les paliers utilises sur un tel moteur impliquaient tenue par un deuxieme bobinage, les deux bobinages normal et , £ ^ ' f, , , p ^ ,

, K A • j, . ... . , ,, des frottements et, dans le but d eliminer les problèmes înhe-

redondant recevant les signaux d un circuit dont le signal d en- A A ... . ..... , .

^ c d4 , - 1 - 1 rents a 1 usure et afin d améliorer la fiabilité et la duree de vie

îree est fourni par le detecteur de vitesse axiale également re- 35 ^ ^ Je ütulaire effectuait Je 3 vier lg?4 Ig de dondant gi ace a un deuxieme bobinage. Ja demande de brevet 7 4()0 190 et le ^ décembre 1974 {e

3. Roue d'inertie selon la revendication 1, caractérisée en ce dépôt de la demande de Premier Certificat d'Addition que le dispositif de commutation est réalisé par une électronique 7 440 556 en vue de munir le rotor de paliers magnétiques à

à semi-conducteurs et en ce qu'elle comporte un dispositif (33) centrage passif associés à un dispositif d'asservissement axial,

commandant l'inversion du sens de rotation du moteur par per- 40 Selon une description succincte d'un tel type de moteur, le mutation de l'ordre de commutation du courant sur les groupes rotor était muni d'aimants alternés répartis en secteurs, en face de bobines. d'un stator de spires axiales conductrices, de telle sorte que

4. Roue d'inertie selon la revendication 1, caractérisée en ce l'inversion du sens du courant dans les spires successives provoque l'organe de commande comporte deux détecteurs (18,19) quait un effet additif des forces électromotrices faisant tourner formés chacun par une self statorique pourvue d'un entrefer et 45 l'induit selon la loi de Laplace.

deux générateurs à 1 MHZ reliés chacun à un détecteur pour La commutation produisant l'inversion du courant dans les moduler le signal qu'il fournit, l'entrefer de chaque self étant spires était obtenue à partir de bobines annexes délivrant des conformé pour recevoir une couronne ferromagnétique à fenê- signaux reflétant la présence d'un aimant d'une polarité donnée très solidaire du rotor et dont la largeur des fenêtres détermine en face des spires.

la forme des signaux. 50 Toutefois, l'exploitation d'une telle commutation s'étant ré-

5. Roue d'inertie selon la revendication 4, caractérisée en ce vélée difficile lorsque l'on augmentait le nombre de spires et que qu'elle comporte un dispositif (33) destiné à transmettre au dis- l'on disposait ces dernières en recouvrement les unes sur les positif du commutations des ordres de pilotage. autres afin d'accroître le nombre de zones actives génératrices

6. Roue d'inertie selon la revendication 1, caractérisée en ce de force électromagnétique, le titulaire a été amenée à conce-que les aimants du rotor sont au nombre de 12 et les bobines de 55 voir un type de machine électrodynamique mieux adapté qui fait l'enroulement du stator sont au nombre de deux fois 3 pour trois l'objet, en partie, du présent brevet.

groupes de bobines connectées en étoiles, soit au total 18 bo- Par ailleurs, on rappellera succinctement que dans les paliers bines. magnétiques exposé dans l'une des demandes de brevet susmen-

7. Roue d'inertie selon la revendication 1, caractérisée en ce tionnées, le centrage magnétique radial du rotor était passif tan-que sont prévus des paliers de secours mécaniques constitués 60 dis que le système de centrage magnétique axial utilisait un par des roulements à billes portés par le rotor. asservissement actif, le signal d'un détecteur de vitesse axiale

8. Roue d'inertie selon la revendication 1, caractérisée en ce constituant alors le signal d'entrée de cet asservissement.

qu' elle est agencée de manière que, lorsque le moteur fonc- Toutefois, et pour diverses raison liées à des problèmes de tionne en génératrice, l'alimentation de l'asservissement axial redondance, le titulaire a été également amené à définir dans le est réalisé en prélevant l'énergie nécessaire sur l'énergie cinéti- 65 présent brevet un matériel convenant mieux aux problème qui que du rotor. était posé.

La roue d'inertie objet de la présente invention est définie par la revendication 1.

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D'autres avantages et particularités de l'invention ressorti-ront de la description qui en est donnée ci-après en référence aux dessins annexés qui illustrent à titre d'exemple une roue d'inertie de satellite pouvant fonctionner dans les deux sens de rotation, c'est-à-dire conformée selon une roue de réaction. 5 Sur ces dessins:

la figure 1 est une vue en demi-coupe axiale d'une roue de réaction en sa forme de réalisation préférée ;

la figure 2 est une vue schématique développée de la partie moteur de la roue représentée sur la figure 1 ; 10

la figure 3 est un diagramme montrant l'allure, après décodage, des signaux fournis par les détecteurs des instants de commutation des groupes de bobines du moteur des figures 1 et 2 ;

la figure 4 est une vue de détail représentant schématique-ment en perspective la disposition particulière d'une partie de 15 l'enroulement du moteur, étant à noter que les hachures ont simplement pour but de distinguer les différentes bobines de l'enroulement;

la figure 5 est une vue en coupe partielle de la partie d'enroulement de la figure 4 ; 20

les figures 6,6A, 6B et 6C sont des schémas explicatifs montrant respectivement comment les aimants du rotor défilent devant l'enroulement su stator; l'allure caractéristique de la force contre-électromotrice produite sur les groupes de bobines; et le mode de commutation du moteur pour obtenir la rotation soit 25 dans le sens direct, soit dans le sens inverse; et la figure 7 est un schéma synoptique montrant les circuits de commande de l'enroulement moteur.

La roue d'inertie conforme à l'invention représentée à titre d'exemple en demi-coupe axiale sur la figure 1 comporte essen- 30 tiellement un volant 1 en rotation autour de l'axe xx', un moteur repéré 2 dans son ensemble avec sa couronne de commutation liée au rotor repérée 10 dans son ensemble, une embase 3 et un carter 4. Le volant ou rotor 1 est supporté par des paliers magnétiques radialement passifs supérieur 5 et inférieur 6 et par un 35 dispositif d'asservissement axial ou «actuateur» repéré 7 dans son ensemble, tandis que des paliers mécaniques de secours haut 8 et bas 9, complètent l'ensemble de la roue avec le boîtier d'électronique 11. Ces paliers de secours sont avantageusement constitués par des roulements à billes portés par le rotor et 40 susceptibles de venir en appui sur des éléments appropriés du stator, lors de certaines circonstances particulières telles que le lancement ou la mise hors d'usage des dispositifs de centrage magnétique.

Toute roue de réaction de satellite est, d'une manière géné- 45 raie, caractérisée par une commande possible dans les deux sens de rotation de la vitesse nulle à une vitesse maximale modérée, de l'ordre de 3000 t/m, et le moment cinétique H peut varier de 0,1 à plusieurs centaines de Nms tandis que la masse qui est de l'ordre de 2 kg pour 1 Nms croît en fonction du moment cinéti- so que. De plus, les pertes au niveau des paliers sont minimisées par l'utilisation de paliers magnétiques.

Selon la forme de réalisation préférée de l'invention et présentement décrite, la partie moteur proprement dite repérée 2 est constituée, dans sa partie fixe, d'un enroulement 13 et, dans 55 sa partie mobile, d'une couronne d'aimants de polarité radiale alternée repérée 14 et de couronnes ferromagnétiques 15 et 16 refermant le flux magnétique qui traverse l'entrefer.

Suivant une caractéristique de l'invention, le volant lié au rotor 1 du moteur possède une jante adaptable 12, à masse 60 variable. Cette partie moteur proprement dite repérée 2 sur la figure 1 et représentée schématiquement développée sur la figure 2 et en vue partielle sur les figures 4 et 5, comporte un élément essentiel représenté par l'enroulement 13 dont le mode de connexion est particulier. 65

Ainsi qu'il ressort des figures 2,4 et 5, les brins d'enroulement, dont les parties actives «I» à la fois parallèles et axiale-ment disposées sur une circonférence de rayon R, sont conformés en bobines constituées par paires d'un groupe de brins «montants» et d'un groupe de brins «descendants». Ces bobines sont, en outre, connectées entre elles en groupes de bobines d'une manière qui dépend du nombre de pôles d'aimants n p (pair), le nombre de bobines n b pouvant être donné par exemple, par la relation —, c'est-à-dire que 3 fois np/2 bobines se trouvent connectées en série.

Les aimants sont, pour leur part, dispose disposés sur la couronne 14 de façon que leur répartition et leur polarité 14 N, 14 S, 14 N . .., soit telle que celle-ci se trouve inversée à chaque pas magnétique Pm, que leur largeur soit par ailleurs d'un pas polaire Pp et que l'espacement résultant soit égal o Pp/2, ce qui conduit à la relation Pm = 3 Pp/2.

Conjointement, les brins «montants» et «descendants» de chaque bobine ont une largeur Pp/2 et l'imbrication des bobines constitue un schéma électrique qui est montré sur la figure 2. De cette manière, la succession des groupes de brins peut être lue, de gauche à droite, de la figure 2, selon une succession 1, 3', 2, 1', 3,2', 1,3' ... ou, de droite à gauche, selon une succession inverse, étant à noter que les sorties électriques des bobines sont groupées en étoile.

Il est bien entendu que les aimants doivent être maintenus rigidement entre eux et assujettis solidement à l'anneau 14, ce qui est réalisé à partir de moyens convenables et de matériaux non magnétiques 17 d'un usage bien connu dans la pratique.

Le fonctionnement proprement dit du moteur est obtenu de la manière qui sera décrite plus loin, en se référant aux schémas précités et en prenant pour base les valeurs ci-après convenant pour une roue de réaction de moment cinétique 5 H = 2 Nms, adaptable de H= 1 à H=5 Nms, par asjutage de la jante à masse variable 12.

Couple T

Masse

R

Q.

= ± 0,1 Nm

<4 kg = 0,1085 m = 85 • IO"4 m

B (champ magnétique) = 0,3 T (dans l'entrefer e)

£2 = ± 330 rd/s (3160 tr/min)

U = 24 V

W =50 watts (33 W moteur + 17 W servitudes)

np = 12 (N - S alternés) pôles

3-12

nb = —-— =18 bobines

Pm Pp

= 360/12 = 30° = Pm/3 = 30/3

10'

Pour le couple demandé T de 0,1 Nm, la force F nécessaire est donnée par

0,1 (Nm)

F =

0,108 (m)

= IN

Le courant passant dans les brins actifs placés dans le champ magnétique doit alors être:

A= 0,108-«i"îr'<>,3 =4AmPè»s

(m) (m) (T)

et la puissance développée correspondante est:

W = 0,1 • 330 = 33 watts

(Nm) (rd/s)

D'autre part,

La longueur active travaillante des brins par groupe de 8 bobines étant

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IN

= 0,8 m,

0,3*4

(T) (Amp)

il en résulte que la longueur active totale est 0,8.3 = 2,40 m,

que la longueur active par bobine est 0,8/8 = 0,1 m,

que le nombre de brins est 0,1/0,0085 ==12, et enfin que le nombre de tours par bobine doit être de 12/2 = 6.

En ce qui concerne la commutation du courant sur les groupes de bobines, celle-ci s'effectue (voir figures 1 et 2) à l'aide de deux détecteurs dits principaux 18 et 19 complétés de deux détecteurs dits redondants repérés 20 et 21, tous associés à un anneau 22 solidaire du rotor 1 et pourvu d'évidements 22A dont le fonctionnement va être exposé ci-après.

En premier lieu, la disposition spatiale de ces éléments, qui est représentée sur la figure 2, est telle que chaque fenêtre 22A de commutation a une largeur Pp/2 et que celles-ci sont espacées entre elles d'une largeur Pp, tandis que les détecteurs 18, 19 d'une part et 20,21 d'autre part, sont espacés l'un de l'autre de Pp/2, et les détecteurs 19 et 20 entre eux de Pp. De la sorte, et tel que cela est représenté sur la figure 6, les aimants 14 N, 14 S ... défilent devant l'enroulement 13 dont les groupes de bobines Bl, B2, B3 portent chacun les brins 1-1', 2-2', 3-3', tandis que la force contre-électromotrice apparaissant aux bornes des groupes de bobines doit être coupée selon des instants de commutation dont les signaux sont générés par les détecteurs 18 et 19.

Ces détecteurs 18 et 19 fournissent en effet des signaux en créneaux dont l'allure, après décodage, est indiquée sur le diagramme de la figure 3 en A pour le détecteur 18 et en B pour le détecteur 19, Pour ce faire, une électronique appropriée (non représentée) module les créneaux de la manière qui va être dérite ci-après.

Des générateurs 1 MHz 25,26 et 27,28 (voir également la figure 7) contenus dans des boîtiers 31 et 32 alimentent les détecteurs 18,19 et 20,21 dont la self 22B (voir figures 1 et 2) se referme sur l'anneau évidé tournant 22 de telle sorte que la modification du coefficient de qualité résultant de la présence des fenêtres 22A conduit à des signaux dont l'allure est représentée sur les figures 6B et 6C.

Ces signaux sont ensuite redressés et filtrés par les éléments 29 et 30 puis transformés en une commande logique pouvant être appliquée sur les commutateurs de puissance à semi-conducteurs 23 et 24 commandant les groupes de bobines B1; B2 et B3.

En revenant aux figures 6 et 6A, il peut être constaté, que la f.c.e.m. produite sur les groupes de bobines Bj, B2, B3 a une allure trapézoïdale caractéristique due à la disposition particulière relative des bobines et des aimants.

Corrélativement, la mise sous tension des bobines avec une commutation convenable va mettre les aimants en mouvement et les sens de ce mouvement va dépendre de l'ordre de commutation du courant circulant dans les groupes de bobines. C'est ainsi que si la commutation est telle que l'ordre de succession d'ouverture de circuits amène Q -h» Bb C2 —» B2, C3 -* B3 (figures 6b), la rotation va s'effectuer dans le sens direct S.D. (droite gauche).

Si, par contre, l'ordre de succession d'ouverture des circuits est Ci —» B2, C2 —» B3, C3 —» Bj (figure 6C), la rotation va s'effectuer dans le sens inverse S.I. (gauche droite) et ce, grâce à une permutation circulaire sur les commandes.

L'inversion du sens de rotation ou, éventuellement, la commande à vitesse nulle, sont données à partir d'un boîtier 33 5 connecté aux entrées al, a2, bl et b2 et recevant les ordres de pilotage d'une centrale de pilotage non représentée.

Lors d'une commande dans un seul sens de rotation pour une roue cinétique, par exemple, des ponts électriques ou «straps» peuvent être placés entre les lignes al, a2, et bl, b2. Il 10 est â noter par ailleurs que le boîtier 32 est placé en redondance du boîtier 31.

En ce qui concerne la suspension du rotor 1, celle-ci est assurée radialement, selon la figure 1, par des anneaux magnétiques concentriques formant les paliers haut 5 et bas 6, tandis 15 que l'actuateur associé et détecteur de vitesse repéré 7 dans son ensemble assure pour sa part l'élément créateur de force pour l'asservissement axial.

Comme l'indique la figure 1, cet actuateur comporte essentiellement, du côté rotor, un aimant annulaire 54 de champ 20 magnétique radial et, du côté stator, une première série de deux bobines concentriques 50 et 51 ainsi qu'une deuxième série de deux bobines concentriques redondantes 51 et 53.

Les champs magnétiques des aimants se referment comme indiqué par la flèche sur la figure 1, et les bobines agissent en 25 surajoutant leur champ magnétique dans un sens convenable au champ magnétique de l'aimant, et ce, grâce à des signaux issus du détecteur de vitesse 55 dont il va être parlé ci-après.

Ce détecteur de vitesse repéré 55, dans son ensemble, comporte essentiellement une couronne d'aimants 56 à champ ma-30 gnétique radial, solidaire du rotor. Ce champ se referme à travers une culasse 57, tandis qu'un double bobinage 58 et 59 redondant, solidaire du stator, est palcé dans ledit champ magnétique de telle sorte que tout déplacement axial des aimants 56 par rapport auxdits bobinages 58-59 est générateur de si-35 gnaux de vitesse envoyés dans un sens convenable à l'électronique de commande 11 de l'actuateur qui corrige alors les écarts axiaux constatés.

Bien que le détail de la partie de l'asservissement axial ne soit pas décrit ici, il peut être indiqué que les signaux électriques 40 générés par le détecteur de vitesse sont de l'ordre de 20 volts/m/ s et que la raideur axiale de l'actuateur est de l'ordre de 300.103 Nm.

Le monteur peut présenter un nombre de pôles quelconque pair avec un nombre de groupes de bobines ou de bobines con-45 venable.

Il est indiqué en outre que le mode de commutation décrit, qui met en oeuvre un courant modulé à 1 MHz et découpé en signaux, a été retenu dans la présente application spatiale en raison des avantages apportés tels qu'insensibilité au rayonne-50 ment cosmique, par exemple, et peut être remplacé par tout système équivalent notamment par photodiodes ou autre.

De plus, le moteur pouvant fonctionner en génératrice, la force électromotrice qu'il produit peut, de ce fait, être utilisée comme source de tension pour faire fonctionner l'asservisse-55 ment axial ; l'énergie nécessaire à cette fonction est alors prélevée sur l'énergie cinétique du rotor, ce qui permet selon le moment cinétique et la vitesse du rotor jusqu'à plusieurs dizaines de minutes et même plusieurs heures de fonctionnement de l'asservissement axial avant que le rotor ne retombe sur ses paliers 60 de secours. Un tel type de fonctionnement donne une sécurité supplémentaire vis-à-vis d'une panne temporaire d'alimentation de l'asservissement axial en énergie électrique.

5 feuilles dessins