FR2729722A1

FR2729722A1 - Palier magnetique a actionneur incorporant son capteur

Info

Publication number: FR2729722A1
Application number: FR9500649A
Authority: FR
Inventors: Christophe Bernus; Jean Christophe Guyot
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1996-07-26
Anticipated expiration: 2015-01-20
Also published as: EP0752073A1; FR2729722B1; WO1996022475A1; JPH09510771A

Abstract

Palier magnétique pour le centrage magnétiquement actif, selon un axe de centrage, d'un second corps (B) en mouvement relatif vis-à-vis d'un premier corps (A), comprend notamment: - un actionneur (12) comportant au moins une première pièce ferromagnétique dont une portion est entourée par un bobinage de commande (14), une seconde portion ferromagnétique formant avec la première pièce ferromagnétique un circuit magnétique et un aimant permanent générant un flux dans ce circuit magnétique, - un capteur de position destiné à détecter la position du second corps par rapport au premier corps parallèlement à l'axe de centrage, ce palier magnétique étant caractérisé en ce que le capteur de position ou de vitesse comportant un bobinage de détection (11B) enroulé autour d'une portion du circuit magnétique de l'actionneur.

Description

L' invention concerne un palier magnétique pour le centrage magnétiquement actif, selon au moins un axe de centrage, d'un second corps en mouvement relatif par rapport à un premier corps. On dit couramment du second corps qu'il est suspendu grâce au palier.

De tels paliers sont notamment décrits dans les documents US-A-4.211.452 (POUBEAU) et US-A-4.918.345 (VAIL
LANT DE GUELIS, ROLAND, JAMAIN).

Ainsi qu'on le sait, il n'est pas possible de centrer magnétiquement, de façon complètement passive, un corps en mouvement selon trois axes par rapport à un autre il est toujours nécessaire de prévoir, pour au moins un axe, un centrage magnétiquement actif. I1 est rappelé ici qu'un centrage magnétiquement passif est un centrage exclusivement effectué par des aimants permanents, tandis qu'un centrage magnétiquement actif implique l'utilisation d'un actionneur magnétique comportant un bobinage dans lequel on fait circuler un courant variable approprié.

De tels paliers sont naturellement stables suivant un certain nombre d'axes de liberté (raideur positive, similaire à celle d'un ressort, obtenue par les forces de rappel passives dues aux aimants lors du décalage du corps selon ces premiers axes de liberté) et instables suivant les autres axes de liberté (raideur négative due aux variations d'entrefer des circuits magnétiques constitués par les actionneurs magnétiques eux-mêmes et une partie au moins du corps en mouvement). Une électronique d'asservissement assure activement la stabilité des équilibres selon ces autres axes de liberté, en utilisant pour ce faire des informations sur la position (voire la vitesse) instantanée du corps suspendu pour les convertir en courants qui, en passant dans les bobinages, génèrent les efforts de rappel nécessaires selon ces autres axes.

Les paliers magnétiques sont très couramment utilisés dans le cas de corps tournants. On distingue alors deux grandes catégories de paliers magnétiques - les paliers magnétiques axialement actifs dans lesquels des bobinages assurent un centrage actif le long de l'axe de rotation, tandis que le centrage est en pratique passif selon des axes diamétraux. Un exemple en est donné dans le document
US-A-4.211.452 précité, - les paliers magnétiques radialement actifs selon lesquels le centrage selon au moins un axe transversal à l'axe de rotation est assuré par des actionneurs magnétiques, le centrage le long de cet axe de rotation étant en pratique assuré passivement par des aimants. Un exemple en est donné dans le document US-A-4.918.345 précité.

Des paliers magnétiques peuvent également être utilisés dans le cas de mouvements linéaires, ainsi que cela ressort du document précité.

Les divers paliers connus nécessitent donc l'implantation de capteurs de position, voire de vitesse, aptes à fournir les signaux d'entrée nécessaires à la boucle d'asservissement actif. Il est donc nécessaire de prévoir un emplacement spécifique pour ceux-ci, ce qui contribue à donner aux paliers connus un encombrement non négligeable. En ce qui concerne les paliers magnétiques pour corps tournants, les capteurs sont décalés le long de l'axe de rotation par rapport aux actionneurs proprement dits, ce qui a comme inconvénient supplémentaire de pouvoir conduire à des erreurs en cas de basculement de l'axe de rotation malgré la raideur gyroscopique ; pour y pallier, on peut prévoir des capteurs de chaque côté, axialement, du plan des actionneurs (doit une pénalité en poids et en encombrement).Ce même problème se pose, avec plus d'acuité puisqu'il n'y a pas de raideur en basculement s'opposant au basculement, dans le cas d'un palier assurant un centrage actif transversalement à une direction de translation.

En fait, les paliers magnétiques sont généralement choisis pour éviter tout contact physique entre le corps en mouvement et son environnement, c'est pourquoi les capteurs de position ou de vitesse sont eux-mêmes du type sans contact.

On connaît en particulier les capteurs inductifs de position qui sont sensibles à la distance séparant des pièces ferromagnétiques (faisant partie du capteur proprement dit) et une portion ferromagnétique ou magnétique liée au corps en mouvement (il s'agit d'une sorte d'entrefer). On comprend aisément que le corps en mouvement doit être réalisé avec un grand soin en regard du capteur proprement dit pour que les variations de l'entrefer détectées par le capteur soient réellement significatives d'une variation de position du corps en mouvement.C'est ainsi par exemple qu'un corps tournant à palier radialement actif doit comporter, en regard du capteur inductif de position et à distance axiale des actionneurs, une piste ou cible bien lisse qui doit non seulement être parfaitement cylindrique mais qui doit en outre être parfaitement coaxiale aux bords des entrefers des actionneurs.

L'invention a pour objet de pallier les inconvénients précités grâce à un ensemble actionneur + capteur qui soit de faible encombrement, qui soit fiable et qui ne nécessite pas de correction complexe.

Elle enseigne pour ce faire d'intégrer un capteur de position aux actionneurs magnétiques, sur le circuit magnétique de ces derniers, les mêmes entrefers servant pour la détection de position et pour l'application des efforts de rappel.

Elle enseigne ainsi un palier magnétique pour le centrage magnétiquement actif, selon un axe de centrage, d'un second corps en mouvement relatif vis-à-vis d'un premier corps, comprenant
- un actionneur comportant au moins une première pièce ferromagnétique portée par le premier corps et dont une portion est entourée par un bobinage de commande, une seconde portion ferromagnétique portée par le second corps et formant, au moins avec la première pièce ferromagnétique, un circuit magnétique dans lequel sont ménagés des entrefers, d'épaisseur variable parallèlement à l'axe de centrage, et un aimant permanent générant un flux dans ce circuit magnétique,
- un capteur de position destiné à détecter la position du second corps par rapport au premier corps parallèlement à l'axe de centrage, et
- un circuit d'asservissement appliquant au bobinage de commande un courant de commande en fonction du signal de sortie du capteur de position,
ce palier magnétique étant caractérisé en ce que le capteur de position comporte un bobinage de détection enroulé autour d'une portion du circuit magnétique de 1' actionneur.

Selon des enseignements préférés, éventuellement combinés - le bobinage que comporte le capteur de position est distinct du bobinage de commande, - le bobinage que comporte le capteur de position est enroulé autour d'une portion de circuit magnétique différente de la portion entourée par le bobinage de commande, - le bobinage que comporte le capteur de position et le bobinage de commande entourent une même portion du circuit magnétique de l'actionneur, - le bobinage que comporte le capteur de position est formé d'une partie du bobinage de commande, - le bobinage que comporte le capteur de position est formé par le bobinage de commande, - le capteur de position comporte en outre un oscillateur générant un signal d'excitation, destiné au bobinage de détection et dont la fréquence est sensiblement supérieure à la bande des fréquences auxquelles la position du second corps peut fluctuer en réaction à des perturbations, - le second corps est en rotation par rapport au premier corps, selon un axe perpendiculaire à l'axe de centrage, - le second corps est mobile en translation perpendiculairement à l'axe de centrage, - la portion de la première pièce ferromagnétique entourée par le bobinage de commande est un noyau rapporté à des plaques ferromagnétiques parallèles, - le bobinage que comporte le capteur de position est enroulé autour dudit noyau, - le bobinage que comporte le capteur de position est distinct du bobinage de commande, - le bobinage que comporte le capteur de position est formé par une partie au moins du bobinage de commande, - le noyau est rapporté de façon amovible auxdites tranches par des moyens de fixation démontables, - ledit noyau est séparé d'au moins l'une des tranches des plaques parallèles par un entrefer d'épaisseur constante, - cet entrefer d'épaisseur constante est formé d'une lame d'air ou de vide, - ledit noyau est rapporté aux tranches des plaques parallèles au moyen de tiges filetées, des rondelles étant engagées autour de ces tiges entre le noyau et les tranches des plaques parallèles, l'épaisseur de l'entrefer étant définie par l'épaisseur de ces rondelles.

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 un schéma de principe d'un palier conforme à l'invention,
- les figures 2A, 2B et 2C sont trois vues représentant trois exemples d'actionneurs auxquels un capteur est intégré, conformément à l'invention,
- les figures 3A, 3B et 3C sont trois schémas de principe d'un exemple de circuit d'asservissement d'un palier conforme à la figure 1,
- la figure 4 est, par analogie, le schéma d'un circuit d'asservissement utilisant des capteurs inductifs de position indépendants des actionneurs, et
- la figure 5 est une vue de dessus d'un exemple de détail de réalisation de l'actionneur de la figure 2C.

La figure 1 est un schéma de principe d'un palier conforme à l'invention, y compris de sa boucle d'asservissement, pour un axe de centrage magnétiquement actif.

Le corps mobile, dénommé par simplification rotor, subit en fait la somme de trois efforts : - une force de rappel Fr induite par le palier en raison de sa raideur magnétique, - une force de correction Fi induite par le passage d'un courant de commande I dans un actionneur et, - une force de perturbation Fp induite par l'extérieur.

L'indication à la figure 1 d'un élément logique d'addition pour ces forces n'est bien sûr qu'une fiction visant à faciliter la compréhension.

Il résulte de ces divers efforts que le rotor se déplace le long de l'axe de centrage et prend une position xr. Un capteur magnétique de position donne de cette position une mesure xd qui est appliquée à un correcteur qui fournit en sortie un signal de commande de faible puissance, par exemple une tension notée U. Celle-ci est appliquée à un amplificateur de courant qui fournit en sortie le courant I précité destiné à circuler dans l'actionneur.

Selon l'invention, le capteur est incorporé à 1' actionneur.

Le capteur est en pratique un bobinage adapté à détecter les variations de flux circulant dans le circuit magnétique de l'actionneur 12, lequel comporte une pièce ferromagnétique de section en U 13 en partie entourée par un bobinage 14 et portée par l'un A des corps et séparée par un entrefer 15 d'une portion ferromagnétique 16 portée par l'autre corps B. En pratique, il y a en outre un aimant permanent 17 qui, dans les exemples des figures 2A à 2C, est disposé entre les branches de la pièce en U 13.

Dans l'exemple de la figure 2A, la portion de bobinage du capteur, repérée llA, entoure une portion de la pièce ferromagnétique 13 à distance du bobinage 14 ; cette portion lIA est ici disposée sur une branche de la pièce en
U 13.

Dans 1' exemple de la figure 2B la portion de bobinage du capteur, repérée llB, entoure la même portion de la pièce ferromagnétique 13 que le bobinage 14.

E f in, darls 1 ' exemple de la figure 2C, la portion de bobinage du capteur est constituée d'une partie au moins lIC du bobinage 14 (voir la figure 3B), voire de la totalité de celui-ci (voir la figure 3C).

En réalité les figures 2A, 2B et 2C ne représentent que la moitié gauche d'un actionneur magnétiquement actif selon un axe X-X perpendiculaire à un axe de symétrie
Z-Z. L'autre moitié, la moitié droite, peut ne pas comporter de bobinage de capteur. Toutefois, de manière préférée, chaque actionneur comporte un bobinage de capteur de chaque côté de son axe de symétrie Z-Z.

La détection de position par le capteur se fait en faisant passer dans le bobinage un courant alternatif. La fréquence de ce courant alternatif doit être choisie très à l'écart de la bande passante du système asservi (en pratique : sensiblement supérieure à celle-ci), c'est-à-dire de la bande des fréquences que peut présenter le courant de commande I pour compenser les effets de perturbations. Il est à la portée de l'homme de métier de déterminer une telle bande passante de système asservi ; il est en effet important qu'il n'y ait pas, au sein de chaque circuit magnétique, de couplage entre les flux liés aux courants de mesure et ceux liés aux courants de commande.

Le capteur utilise avantageusement des modulations apportées à une fréquence porteuse choisie en dehors de la bande passante précitée.

A titre d'exemple, pour une bande passante d'environ 0 à 3 kHz (cela correspond à une masse de l'ordre du kilogramme avec une raideur d'environ 500 N/mm), la fréquence porteuse est choisie de l'ordre de 50 kHz (avec des modulations de + 3 kHz par exemple).

Des exemples de circuit sont donnés aux figures 3A, 3B et 3C, qui ne diffèrent que par les relations entre les bobinages de commande et les bobinages de capteur (les bobinages précités sont dédoublés, ce qui correspond au cas où il y a un bobinage de commande et un bobinage de capteur de chaque côté de symétrie d'un actionneur.

Ces circuits comportent - un oscillateur sinusoîdal 20 émettant à une fréquence donnée Fo choisie en dehors de la bande passante, en pratique sensiblement supérieure à celle-ci - un transformateur 21, qui supprime toute composante continue, dont le potentiel aux bornes de son circuit secondaire est appliqué aux bornes des deux bobinages lIA de capteur, montés en série (ces bobinages étant enroulés sur les circuits magnétiques de l'actionneur en sorte d'être traversés, lors de tout mouvement, par des courants qui s'ajoutent) - un circuit 22 de démodulation synchrone à double alternance, connecté à l'oscillateur 20 et recevant le signal existant entre le point commun aux deux bobinages de capteur lIA et le point milieu du secondaire du circuit secondaire du transformateur 21 ; ce signal correspond à la mesure xa de la figure 1 - un correcteur 23 qui convertit le signal détecté en un signal de faible puissance - un amplificateur de courant 24 ; et - les deux bobinages de l'actionneur.

Dans l'exemple de la figure 3A, les bobinages de capteur lIA sont indépendants des bobinages de commande, ce qui assure une bonne séparation électrique des circuits de détection et de commande. Le nombre des spires des bobinages de capteur est librement choisi en fonction de l'inductance que l'on souhaite pour ces bobinages et donc pour la puissance nécessaire à la production de la fréquence porteuse.

En fait, ce circuit vaut aussi bien pour le cas de la figure 2A que pour le cas de la figure 2B (en rempla çant à la figure 3A la référence lIA par la référence llB).

Dans l'exemple de la figure 3B, les bobinages de capteur llC sont constitués par des portions (égales) des bobinages de commande. Cette option est envisageable sous réserve d'éviter tout couplage électrique entre les deux circuits.

Dans l'exemple de la figure 3C, les bobinages de capteur sont constitués par les bobinages de commande. Cette option, très simple, est envisageable sous réserve d'éviter tout couplage électrique entre les deux circuits et de pouvoir générer la puissance requise par l'inductance de la totalité des spires des bobinages de commande. Cela correspond à l'actionneur de la figure 2C.

A titre de comparaison, la figure 4 montre le circuit correspondant à celui des figures 3A à 3C, mais en utilisant des capteurs inductifs classiques de position 50 en regard de cibles cylindriques 51.

L'invention s'applique à la suspension aussi bien d'un corps B tournant autour de l'axe Z-Z que d'un corps en translation perpendiculairement au plan du dessin (voir le document US-A-4.918.345 déjà cité). En particulier, il doit être bien compris que ce qui a été dit à propos des figures 2A à 2C, 3A à 3C est valable dans le cas où le corps mobile, au lieu de tourner autour de Z-Z, est mobile parallèlement à l'axe Y-Y perpendiculaire à X-X et Z-Z, (voire mobile le long de Z-Z).

L'invention tire avantageusement profit de l'enseignement de la demande de brevet français déposée le 21
Novembre 1994 sous le numéro 94-13896 et non encore publiée.

C'est ainsi que, ainsi que cela est représenté sur les figures 2A à 2C, la pièce ferromagnétique 13 en partie entourée par le bobinage 14 est avantageusement formée de trois parties - deux plaques parallèles 13A et 13B parallèles à l'axe de centrage, - un noyau 13C entouré par le bobinage 14 et rapporté aux plaques parallèles, sur les tranches de celles-ci.

Ainsi que cela est exposé dans la demande de brevet précitée, cette disposition a les avantages suivants - elle permet le montage individuel de chaque noyau d'un palier (indépendamment de la question de savoir si les autres noyaux ont, ou non, été déjà mis en place), - elle simplifie les exigences de stockage avant fabrication, de manière que, en particulier, les plaques ferromagnétiques puissent être dimensionnées et fabriquées même dans l'ignorance des caractéristiques géométriques des ensembles bobines-noyaux avec lesquelles elles devront finalement être intégrées, grâce à une modularité de conception des paliers.

La réciproque est avantageusement obtenue aussi (l'ensemble noyau/bobine fabriqué sans connaître la géométrie future du palier, notamment son diamètre).

Selon un enseignement préféré de cette demande antérieure, le noyau est rapporté de façon amovible auxdites tranches par des moyens de fixation démontables, par exemple des tiges filetées, ce qui a pour avantage de permettre un démontage des ensembles noyau/bobine vis-à-vis du reste du palier, même lorsque celui-ci est monté dans sa structure d'accueil, autorisant ainsi un remplacement ou contrôle aisé des bobines, voire d'adapter un même palier à plusieurs types d'applications en remplaçant seulement un noyau par un autre noyau similaire mais engagé dans un bobinage différent (dont le nombre de spires est par exemple différent).

De manière particulièrement avantageuse, le noyau est séparé par un entrefer d'épaisseur constante vis-à-vis d'au moins l'une (de préférence des deux) des tranches des plaques ferromagnétiques, en sorte de réaliser la cale statique préconisée par le document EP-0.284.487.

Il est à noter que l'obtention d'un tel entrefer est bien plus facile à réaliser < à n'importe quelle étape de la fabrication) que lorsque le noyau est enserré entre les plaques ferromagnétiques.

Ainsi, comme cela ressort de la figure 5 qui est un détail agrandi d'un exemple de montage du noyau 13C de la figure 2C (mais cela est également valable pour la figure 2A ou 2B), l'entrefer 30 peut être formé d'une simple lame d'air (ou de vide ; cela dépend de l'environnement du palier), avec une épaisseur par exemple déterminée par celle de simples entretoises 31.

De manière préférée, lorsque les noyaux sont fixés de façon amovible à l'aide de tiges filetées 32 telles que des vis ou des boulons, ces entretoises peuvent être de simples rondelles entourant ces tiges.

On appréciera que le réglage du (ou des) entrefer(s) 30 est très aisé, sous réserve de disposer d'une gamme de rondelles d'épaisseurs diverses (on peut également, le cas échéant, jouer sur l'effort de serrage en comprimant plus ou moins ces rondelles). On peut disposer un capteur d'induction dans cet entrefer pour le mesurer.

On appréciera que tous les avantages précités sont d'autant plus présents selon l'invention que le bobinage de détection est situé autour dudit noyau comme représenté sur les figures 2B ou 2C.

Il 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 pour le centrage magnétiquement actif, selon un axe de centrage, d'un second corps (B) en mouvement relatif vis-à-vis d'un premier corps (A), comprenant

- un actionneur (12) comportant au moins une première pièce ferromagnétique portée par le premier corps et dont une portion est entourée par un bobinage de commande (14), une seconde portion ferromagnétique portée par le second corps et formant, au moins avec la première pièce ferromagnétique, un circuit magnétique dans lequel sont ménagés des entrefers (15), d'épaisseur variable parallèlement à l'axe de centrage, et un aimant permanent générant un flux dans ce circuit magnétique,

- un capteur de position destiné à détecter la position du second corps par rapport au premier corps parallèlement à l'axe de centrage, et

- un circuit d'asservissement appliquant au bobinage de commande (14) un courant de commande (I) en fonction du signal de sortie du capteur de position,

ce palier magnétique étant caractérisé en ce que le capteur de position comporte un bobinage de détection (llA, llB, llC, 14) enroulé autour d'une portion du circuit magnétique de l'actionneur.

2. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage que comporte le capteur de position (llA, llB) est distinct du bobinage de commande.

3. Palier magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bobinage (1LA) que comporte le capteur de position est enroulé autour d'une portion de circuit magnétique différente de la portion entourée par le bobinage de commande.

4. Palier magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bobinage (llB) que comporte le capteur de position et le bobinage de commande entourent une même portion du circuit magnétique de l'actionneur.

5. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage (llC) que comporte le capteur de position est formé d'une partie du bobinage de commande.

6. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage (14) que comporte le capteur de position est formé par le bobinage de commande.

7. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le capteur de position comporte en outre un oscillateur (20) générant un signal d'excitation, destiné au bobinage de détection et dont la fréquence est sensiblement supérieure à la bande des fréquences auxquelles la position du second corps peut fluctuer en réaction à des perturbations.

8. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le second corps est en rotation par rapport au premier corps, selon un axe (Z-Z) perpendiculaire à l'axe de centrage.

9. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le second corps est mobile en translation (Y-Y, Z-Z) perpendiculairement à l'axe de centrage.

10. Palier magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion de la première pièce ferromagnétique entourée par le bobinage de commande est un noyau (13C) rapporté à des plaques ferromagnétiques parallèles (13A, 13B).

11. Palier magnétique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le bobinage que comporte le capteur de position est enroulé autour dudit noyau.

12. Palier magnétique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le bobinage que comporte le capteur de position est distinct du bobinage de commande.

13. Palier magnétique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le bobinage que comporte le capteur de position est formé par une partie au moins du bobinage de commande.

14. Palier magnétique selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le noyau est rapporté de façon amovible auxdites tranches par des moyens de fixation démontables.

15. Palier magnétique selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit noyau est séparé d'au moins l'une des tranches des plaques parallèles par un entrefer (30) d'épaisseur constante.

16. Palier magnétique selon la revendication 15, caractérisé en ce que cet entrefer (30) d'épaisseur constante est formé d'une lame d'air ou de vide.

17. Palier magnétique selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit noyau est rapporté aux tranches des plaques parallèles au moyen de tiges filetées (32), des rondelles (31) étant engagées autour de ces tiges entre le noyau et les tranches des plaques parallèles, l'épaisseur de l'entrefer étant définie par l'épaisseur de ces rondelles.