FR2614375A1 - Radial auxiliary bearing for magnetic suspension - Google Patents
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Abstract
Description
PALIER AUXILIAIRE RADIAL POUR SUSPENSION MAGNETIQUE. RADIAL AUXILIARY BEARING FOR MAGNETIC SUSPENSION.
La présente invention a pour objet un palier auxiliaire radial pour une suspension magnétique comprenant au moins deux paliers magnétiques radiaux de support d'un rotor, le palier auxiliaire comprenant une cage extérieure, une cage intérieure et des éléments de roulement disposés entre les cages extérieure et intérieure, L'une des cages extérieure et intérieure étant tournée vers un support fixe et L'autre cage intérieure ou extérieure étant tournée vers un rotor monté sur des paliers magnétiques radiaux, un jeu dont l'épaisseur est de l'ordre de la moitié de l'entrefer des paliers magnétiques radiaux étant ménagé en service normal entre l'une des cages extérieure et intérieure et le rotor ou le support fixe. The subject of the present invention is a radial auxiliary bearing for a magnetic suspension comprising at least two radial magnetic bearings for supporting a rotor, the auxiliary bearing comprising an outer cage, an inner cage and rolling elements arranged between the outer cages and internal, one of the external and internal cages being turned towards a fixed support and the other internal or external cage being turned towards a rotor mounted on radial magnetic bearings, a clearance whose thickness is of the order of half of the air gap of the radial magnetic bearings being formed in normal service between one of the external and internal cages and the rotor or the fixed support.
Les machines tournantes à paliers magnétiques actifs sont traditionnellement équipées de paliers auxiliaires destinés à protéger le stator et Le rotor des électro-aimants de palier magnétique contre tout contact mécanique en cas de surcharge ou de défaillance de l'asservissement ou encore lors d'un arret de la machine Ces paliers auxiliaires qui sont décrits par exemple dans le document de brevet US-A-4 180 946 sont habituellement des roulements à billes. L'une des bagues du roulement est fixée au bâti de la machine tandis que l'autre bague présente par rapport au rotor un jeu d'environ la moitié de l'entrefer du palier magnétique radial associé. Rotating machines with active magnetic bearings are traditionally equipped with auxiliary bearings intended to protect the stator and the rotor of the electromagnets of magnetic bearing against any mechanical contact in the event of overload or failure of the servo-control or during a stop. of the machine These auxiliary bearings which are described for example in patent document US-A-4 180 946 are usually ball bearings. One of the bearing rings is fixed to the frame of the machine while the other ring has, with respect to the rotor, a clearance of approximately half of the air gap of the associated radial magnetic bearing.
Les rotors montés sur paliers magnétiques présentent souvent des vitesses de rotation nominales très élevées. Dans ce cas, lors d'un atterrissage sur les paliers auxiliaires en cas de défaillance de l'asservissement ou coupure de L'alimentation des paliers magnétiques, le rotor présente des mouvements de tourbillonnement à sa vitesse de rotation avec un excentrement qui est alors défini par Le jeu du. palier auxiliaire. Dans ce cas, le balourd peut être très important et peut provoquer la destruction des roulements ou une déformation du rotor. Rotors mounted on magnetic bearings often have very high nominal rotational speeds. In this case, during a landing on the auxiliary bearings in the event of failure of the servo-control or interruption of the supply of the magnetic bearings, the rotor presents swirling movements at its speed of rotation with an eccentricity which is then defined by Le jeu du. auxiliary bearing. In this case, the unbalance can be very important and can cause the destruction of the bearings or a deformation of the rotor.
Ainsi, à titre d'exemple, pour un rotor de petit compresseur dont la masse serait de 30 kg et la vitesse de rotation de 30 000 tours par minute, un jeu de palier auxiliaire classique de l'ordre de 0,15 mm crée une force centrifuge de L'ordre de 45 000 N lors de l'atterrissage du rotor sur les paliers auxiliaires. Thus, by way of example, for a rotor of a small compressor whose mass would be 30 kg and the speed of rotation of 30,000 revolutions per minute, a conventional set of auxiliary bearings of the order of 0.15 mm creates a centrifugal force of the order of 45,000 N when the rotor lands on the auxiliary bearings.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réduire de façon simple et économique le risque de destruction des roulements ou de l'arbre tournant lors de l'intervention de paliers auxiliaires alors que l'arbre tournant est en rotation à vitesse élevée. The present invention aims to remedy the aforementioned drawbacks and to reduce in a simple and economical manner the risk of destruction of the bearings or of the rotating shaft during the intervention of auxiliary bearings while the rotating shaft is rotating at high speed.
Ces buts sont atteints grâce à un palier auxiliaire du type défini en tête de la description, caractérisé en ce que, conformément à l'invention, il comprend en outre un dispositif de limitation de la fréquence de tourbillonnement du rotor lors d'un atterrissage de celui-ci sur le support fixe, lequel dispositif limiteur est interposé entre le support fixe et la cage extérieure ou intérieure tournée vers Le support fixe, et comprend a) des moyens formant ressort dont la raideur permet de créer une fréquence propre du rotor dont la valeur est inférieure ou égale à la moitié de la vitesse de rotation nominale du rotor, et de préférence est comprise entre environ le tiers et Le cinquième de cette vitesse de rotation nominale, b) des moyens d'amortissement des moyens formant ressort et c) des moyens formant butée mécanique pour limiter l'amplitude des mouvements de tourbillonnement du rotor à une valeur de l'ordre de la moitié de
L'épaisseur du jeu du palier auxiliaire.These aims are achieved by means of an auxiliary bearing of the type defined at the head of the description, characterized in that, in accordance with the invention, it further comprises a device for limiting the frequency of swirling of the rotor during a landing of the latter on the fixed support, which limiting device is interposed between the fixed support and the outer or inner cage facing the fixed support, and comprises a) spring means whose stiffness makes it possible to create a natural frequency of the rotor whose value is less than or equal to half of the nominal speed of rotation of the rotor, and preferably is between approximately one third and one fifth of this nominal speed of rotation, b) damping means of the spring means and c) means forming a mechanical stop to limit the amplitude of the swirling movements of the rotor to a value of the order of half of
The thickness of the clearance of the auxiliary bearing.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le dispositif limiteur est constitué par une lame d'acier ondulée intercalée entre le support fixe et la cage extérieure ou intérieure tournee vers le support fixe, la raideur des moyens formant ressort étant définie par l'épaisseur de la lame, le pas et la hauteur de l'ondulation de la lame et la largeur de la lame, les moyens d'amortissement étant constitués par les frottements entre la lame et la cage extérieure ou intérieure avec laquelle elle vient en contact lors d'un atterrissage et les moyens formant butée mécanique étant constitués par la lame ondulée dans sa position d'écrasement maximum. According to a preferred embodiment, the limiter device consists of a corrugated steel blade interposed between the fixed support and the outer or inner cage facing the fixed support, the stiffness of the spring means being defined by the thickness of the blade, the pitch and the height of the ripple of the blade and the width of the blade, the damping means being constituted by the friction between the blade and the outer or inner cage with which it comes into contact during a landing and the means forming a mechanical stop being constituted by the corrugated blade in its position of maximum crushing.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure -1 est une vue schématique d'un palier auxiliaire muni d'un dispositif limiteur de la fréquence de tourbillonnement du rotor conformément à l'invention,
- les figures 2 et 3 sont des vues schématiques d'un palier auxiliaire muni d'un dispositif limiteur particulier à lame ondulée, d'une part lors du début d'un atterrissage du rotor à vitesse élevée et, d'autre part, lorsque le rotor a été immobilisé à la fin du processus d'atterrissage, pour un palier à rotor interne et roulement monté sur le bâti,
- les figures 4 et 5 sont des vues analogues à celles des figures 2 et 3 mais pour un palier à rotor interne et roulement monte sur le rotor,
- les figures 6 et 7 sont des vues analogues à celles des figures 2 et 3 mais pour un palier à rotor externe et roulement monté sur le rotor,
- les figures 8 et 9 sont des vues analogues à celles des figures 2 et 3 mais pour un palier à rotor externe et roulement monté sur le bâti, et
- Les figures 10 et 11 sont des vues respectivement de dessus et en élévation d'un exemple de Lame ondulée utilisable en tant que dispositif limiteur dans le palier auxiliaire des figures 1 à 9.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description of particular embodiments of the invention, given by way of examples, with reference to the appended drawings in which
FIG. -1 is a schematic view of an auxiliary bearing provided with a device limiting the vortex frequency of the rotor according to the invention,
- Figures 2 and 3 are schematic views of an auxiliary bearing provided with a particular limiting device with wavy blade, on the one hand at the start of a landing of the rotor at high speed and, on the other hand, when the rotor was immobilized at the end of the landing process, for an internal rotor bearing and bearing mounted on the frame,
FIGS. 4 and 5 are views similar to those of FIGS. 2 and 3 but for a bearing with an internal rotor and a bearing mounted on the rotor,
FIGS. 6 and 7 are views similar to those of FIGS. 2 and 3 but for a bearing with an external rotor and a bearing mounted on the rotor,
FIGS. 8 and 9 are views similar to those of FIGS. 2 and 3 but for an external rotor bearing and bearing mounted on the frame, and
FIGS. 10 and 11 are respectively views from above and in elevation of an example of a wavy blade usable as a limiting device in the auxiliary bearing of FIGS.
On voit sur la figure 1 un palier auxiliaire radial destiné à être utilisé comme paLier de secours en combinaison avec un palier magnétique actif radiaL qui n'a pas été représenté sur le dessin mais dont la structure peut être par exemple conforme à celle définie dans Le brevet US 4 180 946 susmentionné. We see in FIG. 1 a radial auxiliary bearing intended to be used as an emergency stop in combination with an active magnetic bearing radiaL which has not been shown in the drawing but whose structure may for example conform to that defined in The U.S. Patent 4,180,946 mentioned above.
Le palier auxiliaire radiaL comprend essentiellement un roulement à billes 3 constitué de façon classique par une cage extérieure 31 et une cage intérieure 32 emprisonnant des billes 33. The radiaL auxiliary bearing essentially comprises a ball bearing 3 conventionally constituted by an outer cage 31 and an inner cage 32 trapping balls 33.
Sur la figure 1 on a représenté en pointillés le rotor 2 lorsque les paliers magnétiques radiaux sont en service normal. Le rotor interne 2 est alors séparé de la cage intérieure 32 par un jeu 5 dont l'épaisseur e est de l'ordre de la moitié de celle de l'entrefer des paliers magnétiques radiaux. Le rotor 2 a également été représenté en traits pleins dans la position d'atterrissage qu'il prend lorsque les paliers magnétiques n'assurent plus leur fonction normale de support. Dans ce cas, le rotor 2 vient en contact avec La cage intérieure 32 et compte tenu de la vitesse de rotation du rotor 2 et du jeu 5 à l'intérieur de la cage intérieure 32, prend un mouvement de tourbillonnement qui, en l'absence de moyens particuliers de limitation 4, s'effectue à la fréquence de rotation du rotor et peut provoquer la destruction du roulement 3 ou une déformation du rotor 2. In FIG. 1, the rotor 2 is shown in dotted lines when the radial magnetic bearings are in normal service. The internal rotor 2 is then separated from the internal cage 32 by a clearance 5 whose thickness e is of the order of half that of the air gap of the radial magnetic bearings. The rotor 2 has also been shown in solid lines in the landing position it takes when the magnetic bearings no longer perform their normal support function. In this case, the rotor 2 comes into contact with the inner cage 32 and taking into account the speed of rotation of the rotor 2 and the clearance 5 inside the inner cage 32, takes a swirling movement which, by absence of particular means of limitation 4, takes place at the frequency of rotation of the rotor and can cause the destruction of the bearing 3 or a deformation of the rotor 2.
Comme on l'a représenté de façon symbolique sur la figure 1, selon l'invention, la cage extérieure 31 est montée sur un ressort 41 qui est lui-même fixé sur le bâti 1 de la machine. La raideur du ressort 41 est choisie de manière à obtenir avec la masse du rotor une fréquence propre fc du rotor 2 qui est inférieure ou égale à la moitié de la fréquence fN correspondant à la vitesse de rotation nominale N de la machine. La fréquence fc est avantageusement comprise par exemple entre le tiers et le cinquième de la fréquence i Au-dessus de cette fréquence critique fc, . le rotor 2 tourne autour de son axe d'inertie et le tourbillonnement ne peut exister qu'à une fréquence identique ou inférieure à la fréquence propre fc du palier auxiliaire 3. As shown symbolically in Figure 1, according to the invention, the outer cage 31 is mounted on a spring 41 which is itself fixed to the frame 1 of the machine. The stiffness of the spring 41 is chosen so as to obtain with the mass of the rotor a natural frequency fc of the rotor 2 which is less than or equal to half the frequency fN corresponding to the nominal rotation speed N of the machine. The frequency fc is advantageously for example between one third and one fifth of the frequency i Above this critical frequency fc,. the rotor 2 rotates around its axis of inertia and the swirling can only exist at a frequency identical to or lower than the natural frequency fc of the auxiliary bearing 3.
Après avoir atterri sur le palier auxiliaire en présentant une vitesse de rotation élevée voisine de la vitesse de rotation nominale, le rotor 2 ralentit ensuite progressivement tout en présentant un mouvement de tourbillonnement à une fréquence fc limitée à une fraction, par exemple le tiers de la fréquence de rotation maximale du rotor 2 et ramène alors la force centrifuge exercée sur le rotor à une fraction inférieure qui, dans l'exemple considéré correspond au neuvième, de lavaleur que la force centrifuge présenterait en L'absence de dispositif 4 de limitation de la fréquence de tourbillonnement. After having landed on the auxiliary bearing with a high rotational speed close to the nominal rotational speed, the rotor 2 then slows down gradually while presenting a swirling movement at a frequency fc limited to a fraction, for example one third of the maximum rotation frequency of the rotor 2 and then reduces the centrifugal force exerted on the rotor to a lower fraction which, in the example considered corresponds to the ninth, of the value that the centrifugal force would have in the absence of device 4 for limiting the swirl frequency.
Au moment du passage de la vitesse de rotation du rotor 2 par une valeur correspondant à la fréquence propre fc définie par
la suspension auxiliaire 4 comprenant le ressort 41, une surtension éventuelle est évitée grâce à la présence d'un élément 42 d'amortissement du ressort 41. Une butée mécanique 43 limite en outre l'amplitude du mouvement de tourbillonnement du rotor à une valeur de l'ordre de la moitié du jeu e du palier auxiliaire.When the speed of rotation of the rotor 2 passes through a value corresponding to the natural frequency fc defined by
the auxiliary suspension 4 comprising the spring 41, a possible overvoltage is avoided by virtue of the presence of an element 42 for damping the spring 41. A mechanical stop 43 further limits the amplitude of the swirling movement of the rotor to a value of the order of half the clearance e of the auxiliary bearing.
Les figures 2 et 3 montrent un exemple de réalisation pratique du dispositif 4 de limitation de la fréquence de tourbillonnement du rotor. Selon ce mode de réalisation, une lame d'acier ondulée 44 est intercalée entre la bague extérieure du roulement 3 et le bâti 1. Figures 2 and 3 show a practical embodiment of the device 4 for limiting the swirling frequency of the rotor. According to this embodiment, a corrugated steel blade 44 is interposed between the outer ring of the bearing 3 and the frame 1.
L'aspect de la lame d'acier ondulée flexible 44 avant sa mise sous la forme d'anneau est représenté sur les figures 10 et 11. L'épaisseur a de la lame 44, le pas p et la hauteur h de l'ondulation et La largeur L de la lame 44 définissent la raideur du ressort que constitue cette lame 44 lorsqu'elle est interposée entre une cage de roulement 3 et le bâti 1. The appearance of the flexible corrugated steel blade 44 before it becomes a ring is shown in FIGS. 10 and 11. The thickness a of the blade 44, the pitch p and the height h of the corrugation and the width L of the blade 44 define the stiffness of the spring formed by this blade 44 when it is interposed between a rolling cage 3 and the frame 1.
Les frottements entre d'une part la lame 44 et d'autre part -d'un côté le roulement 3 et de l'autre côté le bâti 1 fournissent un amortissement important, surtout pour les mouvements circulaires qui font avancer la partie comprimée de la Lame ressort 44 le long de la circonférence du roulement 3 de sorte que la lame ondulée 44 joue également Le rôle de l'amortisseur 42 de la figure 1. Par ailleurs, L'écrasement total de la lame ondutée 44 (figure 3) joue le rôle de la butée mécanique 43 de la figure 1. The friction between on the one hand the blade 44 and on the other hand - on one side the bearing 3 and on the other side the frame 1 provide significant damping, especially for the circular movements which advance the compressed part of the Blade spring 44 along the circumference of the bearing 3 so that the corrugated blade 44 also plays the role of the damper 42 of FIG. 1. Furthermore, the total crushing of the corrugated blade 44 (FIG. 3) plays the role of the mechanical stop 43 in FIG. 1.
La figure 2 représente le début d'une phase d'atterrissage du rotor 2 sur le palier auxiliaire, la lame ondulée 44 n'étant pas encore déformée tandis que la figure 3 représente la fin d'une phase d'atterrissage du rotor 2 au moment où ce dernier est immobilisé. On voit que la lame ondulée 44 a été fortement déformée mais par sa triple fonction de ressort, d'amortisseur et de butée a permis de réduire les forces centrifuges exercées et donc de conserver L'intégrité du rotor 2 et du roulement 3. FIG. 2 represents the start of a landing phase of the rotor 2 on the auxiliary bearing, the corrugated blade 44 not yet being deformed while FIG. 3 represents the end of a landing phase of the rotor 2 at when the latter is immobilized. It can be seen that the corrugated blade 44 has been greatly deformed but by its triple function of spring, damper and stop has made it possible to reduce the centrifugal forces exerted and therefore to preserve the integrity of the rotor 2 and of the bearing 3.
Les figures 2 et 3 montrent un exemple de palier auxiliaire dans lequel le rotor 2 est interne et le roulement 3 est monté sur le bâti 1. FIGS. 2 and 3 show an example of an auxiliary bearing in which the rotor 2 is internal and the bearing 3 is mounted on the frame 1.
L'invention s'applique toutefois à des configurations différentes de paliers auxiliaires. On a ainsi représenté sur les figures 4 et 5, 6 et 7, 8 et 9, sous une forme analogue aux figures 2 et 3 respectivement, la mise en oeuvre d'un dispositif limiteur 4 à lame ondulée 44 dans le cas de modes de réalisation différents du roulement 3 par rapport au rotor 2 et au bâti 1. The invention however applies to different configurations of auxiliary bearings. There is thus shown in Figures 4 and 5, 6 and 7, 8 and 9, in a form similar to Figures 2 and 3 respectively, the implementation of a limiter device 4 with wavy blade 44 in the case of modes of different production of the bearing 3 relative to the rotor 2 and to the frame 1.
Ainsi, sur les figures 4 et 5, le rotor 2 est interne et le roulement 3 est monté sur le rotor 2. Sur les figures 6 et 7, le rotor 2 est externe et le roulement 3 est monté sur le rotor, le palier étant supporté par un mandrin central 1 solidaire du bâti. Thus, in Figures 4 and 5, the rotor 2 is internal and the bearing 3 is mounted on the rotor 2. In Figures 6 and 7, the rotor 2 is external and the bearing 3 is mounted on the rotor, the bearing being supported by a central mandrel 1 secured to the frame.
Enfin, sur les figures 8 et 9, le rotor 2 est externe et le roulement 3 est monté sur le mandrin central 1 solidaire du bâti. Finally, in FIGS. 8 and 9, the rotor 2 is external and the bearing 3 is mounted on the central mandrel 1 secured to the frame.
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