FR2565310A1 - Inertia flywheel with magnetic suspension. - Google Patents
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Abstract
Description
VOLANT D'INERTIE A SUSPENSION MAGNETIQUE
L'invention concerne un volant d'inertie à suspension magnétique comportant un bâti et un volant suspendu à ce bâti par une suspension magnétique comprenant une butée magnétique passive et un centreur magnétique actif.MAGNETIC SUSPENSION FLYWHEEL
The invention relates to a flywheel with magnetic suspension comprising a frame and a flywheel suspended from this frame by a magnetic suspension comprising a passive magnetic stop and an active magnetic centralizer.
Les suspensions magnétiques sont basées sur l'utilisation des forces développées par un champ magnétique pour maintenir une masse telle qu'un rotor en lévi- tation magnétique sans contact mécanique entre la partie fixe et la partie mobile. Leurs principaux avantages sont
L'absence de frottement de contact, la possibilité d'utilisation sous vide et une durée de vie pratiquement illimitée.Magnetic suspensions are based on the use of the forces developed by a magnetic field to maintain a mass such as a rotor in magnetic levitation without mechanical contact between the fixed part and the mobile part. Their main advantages are
The absence of contact friction, the possibility of use under vacuum and a practically unlimited lifetime.
IL existe des paliers actifs et des paLiers passifs. Les paliers passifs utilisent les forces d'attraction ou de répulsion exercées par des aimants permanents. Ils sont très simples et ne demandent aucun apport d'énergie. Les paliers actifs utilisent les forces d'at- traction créées par un courant circulant dans une bobine autour d'un circuit magnétique. Ils nécessitent des capteurs de position ou de vitesse et un asservissement qui contrôle Le courant circulant dans les bobines. There are active and passive steps. Passive bearings use the forces of attraction or repulsion exerted by permanent magnets. They are very simple and require no energy input. Active bearings use the forces of attraction created by a current flowing in a coil around a magnetic circuit. They require position or speed sensors and a servo that controls the current flowing in the coils.
On connait, selon l'art antérieur, des suspensions pour des machines tournantes. Dans un tel cas, it faut contrôler cinq degrés de liberté, à savoir trois degrés de liberté en translation et deux degrés de liberté en rotation. D'après le théorème d'Earnshaw, le contrôle des trois translations est impossible au moyen de paliers passifs. La suspension doit posséder au moins un palier actif. Dans Le cas te plus simpLe (P. C. POUBEAU, "Satellite Flywheels with Magnetic Bearings and Passive Radial
Centering", J. SPACECRAFT, vol. 17, n" 3, 1980), seul le mouvement axial est contrôlé activement. Les quatre autres mouvements sont stables passivement grâce au flux d'ai mants permanents.Ce type de suspension magnétique donne de bonnes performances, sauf pour la stabilité à grande vitesse des mouvements radieux et de balncerent du rotor.There are known, according to the prior art, suspensions for rotating machines. In such a case, it is necessary to control five degrees of freedom, namely three degrees of freedom in translation and two degrees of freedom in rotation. According to Earnshaw's theorem, the control of the three translations is impossible by means of passive steps. The suspension must have at least one active bearing. In the simplest case (PC POUBEAU, "Satellite Flywheels with Magnetic Bearings and Passive Radial
Centering ", J. SPACECRAFT, vol. 17, n" 3, 1980), only the axial movement is actively controlled. The other four movements are passively stable thanks to the flow of permanent magnets. This type of magnetic suspension gives good performance, except for the stability at high speed of the radiant and balncerent movements of the rotor.
On a proposé (M. INOUE et al., "Magnetically suspended annuler flywheel", Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki,Japon) un volant contrôlé magnéti- quementdans lequel deux mouvementsradiaux sont contrô-
Lés activement et Les trois autres mouvements, un nouve- ment axial et deux rotations, sont stables passivement au moyen d'aimants permanents.We have proposed (M. INOUE et al., "Magnetically suspended cancel flywheel", Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki, Japan) a magnetically controlled flywheel in which two radial movements are controlled
The three other movements, a new axial and two rotations, are passively stable by means of permanent magnets.
Cependant, un teL volant n'est applicable qu'à un anneau De plus, Les fonctions de La butée et du centreur ne sont pas séparées, ce qui nuit à La stabilité du système. However, a steering wheel such as this is only applicable to a ring. In addition, the functions of the stopper and the centering device are not separated, which affects the stability of the system.
Le but de l'invention est de creer un voLant d'inertie à suspension magnétique qui peut presenter une autre forme que celle d'un anneau, en particulier celle d'un disque. Sa stabilité doit être augmentée par rapport à ceLle des volants actuellement connus. The object of the invention is to create a flywheel with magnetic suspension which can have a shape other than that of a ring, in particular that of a disc. Its stability must be increased compared to that of the currently known flywheels.
Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce au fait que le volant est constitué par un disque, le moment d'inertie axiale A et Le moment d'inertie transversale C de ce disque étant tels que leur rapport CA est supérieur à 1, et en ce que la butée passive est constituée d'un premier et d'un second aimants permanents rigides de forme annulaire et de rayon (r), Le premier aimant permanent étant solidaire du bâti, le second aimant permanent étant solidaire du volant et tournant avec Lui. This object is achieved, in accordance with the invention, thanks to the fact that the flywheel is constituted by a disc, the axial moment of inertia A and the transverse moment of inertia C of this disc being such that their ratio CA is greater than 1, and in that the passive stop consists of first and second rigid permanent magnets of annular shape and radius (r), the first permanent magnet being secured to the frame, the second permanent magnet being secured to the flywheel and turning with Him.
Avec un tel votant d'inertie, la butée magnétique passive et le centreur magnétique actif peuvent être disposés de telle manière que ce dernier soit situé sensiblement dans Le plan de ta butée magnétique. Toutefois, cette condition n'est pas indispensable. On peut égale- ment décaler Le centreur par rapport au plan de la butée magnétique, ce qui augmente Les possibilités de réalisation. Dans un tel cas, conformément à l'invention, le centreur magnétique actif est décalé d'une distance L par rapport au plan des aimants permanents, cette distance L étant inférieure au rayon r de ces aimants. With such a voter of inertia, the passive magnetic stop and the active magnetic centralizer can be arranged in such a way that the latter is located substantially in the plane of your magnetic stop. However, this condition is not essential. It is also possible to shift the centering device relative to the plane of the magnetic stop, which increases the possibilities of realization. In such a case, in accordance with the invention, the active magnetic centering device is offset by a distance L relative to the plane of the permanent magnets, this distance L being less than the radius r of these magnets.
L'invention sera maintenant décrite plus en détail en référence aux figures annexées qui représentent seulement des exemples de réalisation. The invention will now be described in more detail with reference to the appended figures which represent only exemplary embodiments.
- la figure 1 est une vue en coupe d'un volant d'inertie à suspension magnétique conforme à l'invention comportant une butée passive et un centreur actif,
- La figure 2 est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'un volant d'inertie à suspension magnétique comportant une butée passive et un centreur actif,
- Les figures 3 et 4 illustrent les moyens d'asservissement de la position radiale d'un rotor d'un volant d'inertie conforme à l'invention.FIG. 1 is a sectional view of a flywheel with magnetic suspension according to the invention comprising a passive stop and an active centering device,
FIG. 2 is a perspective view of a second embodiment of a flywheel with magnetic suspension comprising a passive stop and an active centering device,
- Figures 3 and 4 illustrate the means for controlling the radial position of a rotor of a flywheel according to the invention.
On a représenté sur la figure 1 un premier mode de réalisation de l'invention. Il comporte une enceinte 1 qui permet de maintenir un vide primaire, un bâti 2 qui supporte un premier aimant permanent 4. There is shown in Figure 1 a first embodiment of the invention. It comprises an enclosure 1 which makes it possible to maintain a primary vacuum, a frame 2 which supports a first permanent magnet 4.
Le rotor 6, qui constitue le volant d'inertie est formé d'un disque 6a et d'un manchon 6b solidaire du disque. Un second aimant permanent 8 situé en regard du premier aimant permanent 4 est fixé sous la surface inférieure du disque. Les aimants 4 et 8 sont des aimants au samarium-cobalt. The rotor 6, which constitutes the flywheel, is formed by a disc 6a and a sleeve 6b secured to the disc. A second permanent magnet 8 located opposite the first permanent magnet 4 is fixed under the lower surface of the disc. Magnets 4 and 8 are samarium-cobalt magnets.
Chacun des premier et second aimants 4, 8 est maintenu dans une frette amagnétique 9 à haute résistance qui est elle-même vissée respectivement sur le bati 2 et sur le disque 6a. Le disque 6a est plein. IL pourrait également être profilé de manière à présenter un profil isocontrainte ou être réalisé en un matériau composite comportant un noyau. Each of the first and second magnets 4, 8 is held in a non-magnetic hoop 9 with high resistance which is itself screwed respectively on the frame 2 and on the disc 6a. The disc 6a is full. It could also be profiled so as to have an iso-stressed profile or be made of a composite material comprising a core.
Le bâti 2 supporte également le stator 10 d'un moteur électrique dont Le rotor 12 est logé dans une rainure annulaire pratiquée dans Le manchon 6b. The frame 2 also supports the stator 10 of an electric motor, the rotor 12 of which is housed in an annular groove made in the sleeve 6b.
Le centrage du rotor 6 par rapport au bâti est assuré au moyen d'un centreur électromagnétique asservi. The centering of the rotor 6 relative to the frame is ensured by means of a controlled electromagnetic centralizer.
Ce centreur comporte quatre électro-aimants 14 liés au stator et une culasse tournante constituée par-une couronne annulaire fermée métallique. Au-dessus des aimants 14 et de La culasse 16 se trouvent Les détecteurs de positions, également au nombre de quatre. Chaque détecteurse compose d'une partie fixe 18 portée par le stator en regard du rotor 20 Logée dans une rainure annulaire du rotor.This centering device comprises four electromagnets 14 linked to the stator and a rotating yoke constituted by a closed metallic annular ring. Above the magnets 14 and the yoke 16 are the position detectors, also four in number. Each detector consists of a fixed part 18 carried by the stator opposite the rotor 20 housed in an annular groove in the rotor.
Dans L'exemple de réalisation représenté, Le rayon r des aimants 4 et 8 est le même, mais ce n'est pas indispensable. Ils pourraient être différents. D'une manière générale, la butée passive peut présenter toutes tes configurations décrites dans L'article de J. P. YONNET, "Permanent magnet bearings and couplings" IEEE Magnetics, vol. Mag 17, nO 1, pp 1169-1173, jan. 1981. Cependant, l'exemple représenté sur la figure 1 est celui dont la réalisation est la plus simple. In the embodiment shown, the radius r of the magnets 4 and 8 is the same, but it is not essential. They could be different. In general, the passive stop can have all of your configurations described in the article by J. P. YONNET, "Permanent magnet bearings and couplings" IEEE Magnetics, vol. Mag 17, No. 1, pp 1169-1173, Jan. 1981. However, the example shown in FIG. 1 is the one whose implementation is the simplest.
On a représenté sur La figure 2 un deuxième mode de réalisation d'un volant d'inertie à suspension magnétique de L'invention, comportant une butée passive et un centreur actif. FIG. 2 shows a second embodiment of a flywheel with magnetic suspension of the invention, comprising a passive stop and an active centering device.
Ce mode de réalisation se distingue de ce lui de la figure 1 par le fait que la butée passive est située à L'intérieur du centreur, alors que dans le mode de réalisation de ta figure 1, le centreur actif est situé à l'intérieur de la butée passive. This embodiment differs from that of Figure 1 by the fact that the passive stop is located inside the centering device, while in the embodiment of your figure 1, the active centering device is located inside of the passive stop.
La butée passive est constituée d'une bague ai mantée 4 solidaire du support 2, schématisée en traits mixtes, et d'une bague aimantée 8 de plus petit diamètre qui est située à l'intérieur de La bague aimantée 4.-La bague 8 est solidaire de la plaque 6 constituant la masse suspendue. Par ailleurs, la suspension comporte un centreur actif. Ce centreur est constitué d'un anneau métallique 16 formant une culasse, fixé à la plaque 6, et de quatre électro-aimants 14 disposes angulairement à 900 l'un de L'autre. Les bobinages 22 des électro-aimants sont alimentés en courant électrique. La suspension comporte encore des moyens d'asservissement de la position de la plaque 6. Ces moyens seront décrits plus en détail en référence aux figures 3 et 4. The passive stop consists of a ring ai mantée 4 secured to the support 2, shown schematically in broken lines, and a magnetized ring 8 of smaller diameter which is located inside of the magnetized ring 4.-The ring 8 is secured to the plate 6 constituting the suspended mass. In addition, the suspension includes an active centering device. This centralizer consists of a metal ring 16 forming a yoke, fixed to the plate 6, and four electromagnets 14 arranged angularly at 900 from one another. The windings 22 of the electromagnets are supplied with electric current. The suspension also includes means for controlling the position of the plate 6. These means will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4.
On retrouve sur la figure 3 quatre électro-aimants 14 et La culasse 16 qui permet de refermer le circuit magnétique. Quatre détecteurs 24 de la position du rotor fournissent un signal électrique qui est fonction de la position du rotor 16. Comme on peut le voir sur la figure 4, le signal du détecteur de postion 24 est introduit dans un comparateur 26 pour être comparé à un signal de référence 28 qui définit La position nominale du rotor. We find in Figure 3 four electromagnets 14 and the cylinder head 16 which allows to close the magnetic circuit. Four detectors 24 of the rotor position provide an electrical signal which is a function of the position of the rotor 16. As can be seen in FIG. 4, the signal of the postion detector 24 is introduced into a comparator 26 to be compared with a reference signal 28 which defines the nominal position of the rotor.
Si le signal de réference est nul, la position nominale est au centre du stator. Le signal d'erreur 30 est proportionnel à la différence entre la position nominale et la position instantanée du rotor. Ce signal d'erreur est traite par un circuit correcteur 32 qui émet un signal de commande à l'amplificateur de puissance 34 qui fournit aux électro-aimants 14 L'énergie du champ magnétique qui crée les forces agissant sur le rotor. Le rapport du signal de sortie au signal d'erreur est appelé fonction de transfert ; elle ~est choisie de manière à maintenir Le rotor dans sa position nominale avec la plus grande précision et à le ramener rapidement avec un mouvement bien amorti dans cette position si une force perturbatrice a écarté le rotor de cette position. La fonction de transfert définit La raideur et L'amortissement de la suspension magnétique.If the reference signal is zero, the nominal position is in the center of the stator. The error signal 30 is proportional to the difference between the nominal position and the instantaneous position of the rotor. This error signal is processed by a correcting circuit 32 which sends a control signal to the power amplifier 34 which supplies the electromagnets 14 with the energy of the magnetic field which creates the forces acting on the rotor. The ratio of the output signal to the error signal is called the transfer function; it is chosen so as to maintain the rotor in its nominal position with the greatest precision and to bring it back quickly with a well-damped movement in this position if a disturbing force has moved the rotor from this position. The transfer function defines the stiffness and damping of the magnetic suspension.
Dans les exemples de réalisation décrits en re ference aux figures, Le plan du palier actif se trouve sensiblement dans Le plan de La butée passive (fig. 1, 2). In the exemplary embodiments described with reference to the figures, the plane of the active bearing is found substantially in the plane of the passive stop (fig. 1, 2).
Toutefois, Le volant d'inertie de l'invention reste encore stable, même si Le palier actif est décale d'une longueur L par rapport au plan de la butée ou du centreur passif, à La condition que ce décaLage L n'excède pas une certaine valeur. Cette valeur est fonction de La raideur axiale k a et de la raideur radiale kr de la butée passive. Dans le cas d'un palier magnétique à aimant permanent rigide, on sait que lè rapport k 1k est égal à -2.However, the flywheel of the invention still remains stable, even if the active bearing is offset by a length L relative to the plane of the stop or the passive centralizer, provided that this shift L does not exceed some value. This value is a function of the axial stiffness k a and the radial stiffness kr of the passive stop. In the case of a magnetic bearing with rigid permanent magnet, it is known that the ratio k 1k is equal to -2.
a r
On sait que par ailleurs la raideur angulaire d'un palier de ce type est donnée par la formule :
kO = L2.k k + r2.k
r - a
Pour que La suspension soit stable, on doit avoir kO positif. On en déduit donc que Le décalage L doit être au plus égal au rayon r du palier magnétique.ar
We know that, moreover, the angular stiffness of a bearing of this type is given by the formula:
kO = L2.kk + r2.k
r - a
For the suspension to be stable, we must have kO positive. We therefore deduce that the offset L must be at most equal to the radius r of the magnetic bearing.
Par comparaison, dans le cas d'une butée à réluctance variable, le rapport de la raideur axiale à La raideur radiale est de L'ordre de -15. On en déduit donc que le décaiage L doit être au plus égal au quart environ du rayon de la butée. Le décalage admissible est donc beaucoup plus faible et les possibilités constructives sont donc réduites. By comparison, in the case of a variable reluctance stop, the ratio of axial stiffness to radial stiffness is of the order of -15. It is therefore deduced therefrom that the clearance L must be at most equal to about a quarter of the radius of the stop. The admissible offset is therefore much smaller and the constructive possibilities are therefore reduced.
D'autre part un facteur complémentaire dû au déplacement des lignes de flux dans l'entrefer d'une butée à réluctance variable diminue encore la raideur angulaire. On the other hand, an additional factor due to the displacement of the flux lines in the air gap of a variable reluctance stop further reduces the angular stiffness.
Cela conduit à une limite sur la distance L plus petite que celle déduite de la formule précédente.This leads to a limit on the distance L smaller than that deduced from the previous formula.
Par ailleurs, le rapport du moment d'inertie axiale C à son moment d'inertie transversale A du rotor suspendu est de préférence supérieur à 1. En effet, dans ce cas, le rotor n'a pas tendance à se déstabiliser. Il n'existe pas de fréquence critique angulaire à franchir comme c'est le cas lorsque ce rapport est inférieur à 1.
Dans ce dernier cas, on est obligé de prévoir un dispositif spécial pour amortir la fréquence critique. Le fait que Le rapport C/A est supérieur à 1 permet de s'affranchir de cette contrainte et justifie l'emploi d'une butée passive sans système d'amortissement. Furthermore, the ratio of the axial moment of inertia C to its transverse moment of inertia A of the suspended rotor is preferably greater than 1. Indeed, in this case, the rotor does not tend to destabilize. There is no critical angular frequency to cross as is the case when this ratio is less than 1.
In the latter case, it is necessary to provide a special device for damping the critical frequency. The fact that the C / A ratio is greater than 1 overcomes this constraint and justifies the use of a passive stop without a damping system.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2565310B1 (en) | 1988-07-01 |
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