FR2788089A1 - Procede et dispositif pour ameliorer le comportement dynamique d'un palier magnetique - Google Patents
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Abstract
Le procédé et le dispositif pour améliorer le comportement dynamique d'un palier magnétique pour un rotor à sustentation magnétique, en particulier pour réduire les bruits de roulement, prévoient que le flux magnétique présent dans l'entrefer (5) du palier magnétique et déterminé par le courant traversant une bobine d'actionnement (1) est mesuré directement, par exemple par une bobine de mesure (6a, 6b) parcourue directement par le flux magnétique de l'entrefer ou par une sonde de Hall, son signal étant utilisé comme grandeur réglante pour la régulation ou la régulation complémentaire du courant de bobine d'actionneur, de façon à minimaliser les variations de densité du flux magnétique dans l'entrefer.
Description
L'invention concerne un procédé de régulation du comportement dynamique
d'un palier magnétique avec centrage actif à régulation de position pour un rotor à sustentation magnétique par régulation du courant à travers au moins une bobine d'actionnement, laquelle garantit, par l'intermédiaire d'un circuit de couplage magnétique, un10 flux magnétique défini dans l'entrefer du palier magnétique. En outre, l'invention concerne un dispositif pour la régulation du comportement dynamique d'un palier magnétique pour un rotor ferromagnétique à sustentation magnétique, avec un régulateur de position pour le flux de15 courant, à travers au moins une bobine d'actionnement dans un circuit magnétique, ladite bobine garantissant un flux
magnétique déterminé dans l'entrefer du palier magnétique.
Des paliers magnétiques du type en question ici sont connus dans diverses variantes de réalisation, en particulier aussi en vue d'une application à des roues gyrostabilisantes pour satellites. Le brevet US 4 211 452 décrit ainsi une roue à inertie à sustentation magnétique dont le rotor est maintenu dans un champ magnétique radial et pour laquelle des mesures sont prises pour empêcher des déplacements axiaux. Un palier magnétique décrit dans le brevet US 4 918 345 est perfectionné par un moyen de régulation de position décrit dans le document WO 96/22475 pour stabiliser radialement le rotor dans l'entrefer du palier magnétique, les variations du flux dans le circuit magnétique étant détectées par une bobine de détection qui est enroulée autour d'une bobine d'actionnement ou d'excitation ou qui forme une partie de celle-ci. D'autres solutions pour générer et stabiliser le flux magnétique dans l'entrefer d'un palier magnétique sont décrites dans EP 0 563 928 A2, EP-A-0 362 882, DE 23 38 307 A1 et FR-A-2
214 890.
Un problème particulier rencontré en pratique avec les paliers magnétiques est leur niveau sonore. En prélude à l'invention, on a constaté à l'occasion d'études plus précises que les bruits de roulement d'un rotor à sustentation magnétique sont dus à des effets10 divers. D'une manière générale, on peut toutefois distinguer entre les effets qui s'exercent à travers des capteurs sur le ou les circuits de régulation du flux magnétique dans l'entrefer du palier magnétique et ceux qui sont imputables à des erreurs géométriques, le plus souvent héritées de la fabrication, modifiant le ou les entrefers d'actionnement et qui, en général, retentissent sur la
production d'énergie magnétique dans l'entrefer du palier.
On a constaté que ces répercussions sont dues à une variation cyclique de la géométrie de l'entrefer lors de la rotation du rotor. Les variations de densité du flux magnétique qui en résultent génèrent entre rotor et stator une force variable qui se traduit par un bruit solidien gênant. Sur la base de ces observations, l'invention porte sur un procédé de régulation du comportement dynamique d'un palier magnétique possédant les caractéristiques de procédé indiquées dans l'entrée en matière, ledit procédé étant caractérisé en ce que le flux magnétique généré dans l'entrefer par la bobine d'actionnement est mesuré directement dans l'entrefer et utilisé comme grandeur réglante pour la régulation ou la régulation complémentaire du courant de bobine d'actionneur, de sorte que les variations de densité du flux magnétique dans l'entrefer
sont minimalisées.
La mise en oeuvre de l'invention permet de réduire considérablement les variations observées de densité du flux magnétique et donc le bruit solidien généré.5 Généralement considérée comme le principal facteur de gêne, la rigidité dynamique de l'ensemble du système magnétique
est simultanément réduite.
L'invention fournit un procédé permettant d'agir sur le courant qui génère le champ magnétique souhaité et qui parcourt les bobines d'actionnement dans le but de réduire les bruits de roulement. Dans le cadre de l'invention, on met donc en euvre un palier magnétique qui repose sur l'attraction mutuelle de deux pièces magnétisables, ladite15 attraction étant provoquée par un champ magnétique généré
entre ces dernières.
L'invention porte également sur un dispositif pour améliorer le comportement dynamique d'un palier magnétique dans le but de réduire les bruits de roulement dans un rotor à sustentation magnétique, avec un régulateur de position pour le flux de courant, à travers au moins une bobine d'actionnement dans un circuit magnétique, ladite bobine garantissant un flux magnétique déterminé dans l'entrefer du palier magnétique, est caractérisé par un dispositif de mesure qui mesure le flux magnétique directement dans l'entrefer et dont le signal de mesure faisant fonction de grandeur réglante alimente un circuit de régulation qui complète le régulateur de position et qui, à travers la bobine d'actionnement, agit sur le courant de façon à minimaliser les variations du flux
magnétique dans l'entrefer.
L'idée maîtresse de l'invention est de réaliser une régulation (éventuellement supplémentaire) du flux magnétique existant dans l'entrefer du palier magnétique. À cet effet, on utilise selon l'invention un dispositif de mesure, par exemple une bobine de mesure qui est parcourue par une partie ou par la totalité du flux magnétique qui5 règne dans l'entrefer et qui est généré ou modulé par une bobine d'actionnement appropriée. Il est avantageux de réguler le courant dans cette bobine d'actionnement à l'aide d'une unité électronique de régulation appropriée, de façon que la tension induite dans la bobine de mesure10 adopte une valeur de consigne déterminée. Cette valeur de consigne peut être prédéfinie en mode interne par un
circuit de commande ou en mode externe.
Au lieu de la tension à la bobine de mesure, il est également possible d'utiliser la tension à la bobine d'actionnement comme grandeur pour une valeur de consigne déterminée, en prenant toutefois en compte la chute ohmique survenant au niveau de la résistance intérieure de la
bobine d'actionnement.
Le dispositif de mesure peut aussi être un capteur de flux
magnétique, par exemple une sonde de Hall.
Une implantation appropriée de la bobine de mesure ou du capteur de flux, c'est-à-dire en particulier de la sonde de Hall, a un effet d'optimisation - comme cela sera décrit en détail ultérieurement - en ce sens que l'énergie de l'entrefer n'est pas modifiée ou ne l'est que très peu par les variations d'écartement dues, en particulier, à des imprécisions de rotation héritées de la fabrication. Le
niveau sonore est ainsi nettement abaissé.
L'invention et des particularités avantageuses seront exposées en détail ci-après dans un exemple de réalisation en référence aux dessins. Ceux- ci montrent sur:
la figure 1, une représentation sous forme de bloc-
diagramme d'un dispositif pour améliorer le comportement dynamique d'un palier magnétique dans le but de réduire les bruits de roulement; et la figure 2, la représentation de principe d'un circuit magnétique avec mesure directe du flux magnétique dans un entrefer. Le flux magnétique situé dans le champ magnétique 4 d'un entrefer d'actionnement 5 d'un palier magnétique seulement suggéré en coupe schématique sur la figure 2 est déterminé par le courant d'actionnement modulé par un régulateur de courant 8 à travers une ou plusieurs bobines d'actionnement 1, un autre aimant 2, par exemple un aimant permanent, étant par ailleurs implanté dans le circuit magnétique. Le couplage magnétique symbolisé par une flèche circulaire est
suggéré sur la figure 2 par des culasses correspondantes 3.
Le signal d'un régulateur de position pour l'énergie magnétique agissant sur un rotor dans l'entrefer d'actionnement 5 est transmis à une connexion 7 et détermine, par l'intermédiaire d'un autre régulateur 10 décrit en détail ci-après, le courant d'actionnement parcourant la (les) bobine(s) d'actionnement par l'intermédiaire d'un régulateur de courant 8. Un régulateur de symétrie 9 supplémentaire généralement présent (mais non obligatoire) garantit une nette diminution de la consommation de puissance totale du palier magnétique et
simplifie ainsi encore la dissipation de chaleur perdue.
Conformément à l'invention, le flux magnétique régnant dans l'entrefer d'actionnement 5 est mesuré par une bobine de mesure 6a et, respectivement, 6b qui est disposée directement dans ce flux et qui est avantageusement placée de façon que l'énergie de l'entrefer ne varie pas en présence, par exemple, de légères variations d'écartement. Cela est obtenu à l'aide du régulateur 10, lequel convertit le signal de la bobine de mesure 6a et, respectivement, 6b5 en un signal de commande correspondant pour le régulateur de courant 8, de façon que la tension à la bobine de mesure 6a, 6b soit maintenue à une valeur de consigne déterminée. Si le signal de sortie du régulateur de position à la connexion 7 est égal à zéro, c'est-à-dire si la position du10 rotor (non représenté) est correcte, la tension dans la bobine de mesure 6a et, respectivement, 6b et donc la variation de flux magnétique dans l'entrefer d'actionnement 5 sont calées à une valeur proche de zéro par l'intermédiaire du circuit de régulation représenté comprenant le régulateur 10, le régulateur de courant 8 et le régulateur de symétrie 9. Cette valeur dépend de la fonction de transfert du régulateur 10. Celle-ci doit être adaptée aux propriétés caractéristiques du champ magnétique existant en pratique dans l'entrefer, afin d'obtenir une suppression optimale des bruits en tenant compte des propriétés de régulation du circuit de régulation de position. En règle générale, une caractéristique P-I est la plus favorable pour le régulateur 10. Avec des paliers magnétiques supportés par des aimants permanents tel que l'aimant permanent 2 de la figure 2, on utilise souvent un régulateur de symétrie supplémentaire 9 qui définit la géométrie de l'entrefer de façon que des forces parasites extérieures puissent être compensées sans courant d'actionnement permanent. Le régulateur de symétrie 9 possède généralement un caractéristique I. De ce point de vue, l'invention apporte une simplification puisque, en renvoyant au régulateur 10 la variation de flux magnétique constatée, on lui confère une caractéristique d'intégration. Le régulateur de symétrie 9 peut donc être
remplacé par une fonction passe-bas simple.
Au lieu de la (des) bobine(s) de mesure 6a, 6b, on peut
utiliser, moyennant une adaptation correspondante de l'unité électronique, un autre capteur de flux magnétique approprié, par exemple une sonde de Hall.
Le conception selon l'invention consistant à mesurer le flux magnétique directement dans l'entrefer d'actionnement 5 et à pratiquer une régulation du courant (uniquement complémentaire, le cas échéant) par l'intermédiaire du régulateur 10 permet de réduire la rigidité dynamique effective du système magnétique du palier, en particulier pour les fréquences assez élevées, de sorte que le régulateur de position devient non critique du point de vue15 des contraintes de précision spécifiques et que l'objectif d'une nette diminution des bruits de roulement d'un rotor à
sustentation magnétique est atteint.
Claims (7)
1. Procédé de régulation du comportement dynamique d'un palier magnétique avec centrage actif à régulation de position pour un rotor à sustentation magnétique par régulation du courant à travers au moins une bobine d'actionnement, laquelle garantit, par l'intermédiaire d'un circuit de couplage magnétique, un flux magnétique défini dans l'entrefer du palier magnétique, caractérisé en ce que10 les variations du flux magnétique dans l'entrefer sont mesurées directement dans l'entrefer et utilisées comme grandeur réglante pour la régulation ou la régulation complémentaire du courant de bobine d'actionneur, de sorte qu'en réduisant les variations de densité du flux15 magnétique dans l'entrefer on minimalise les bruits de
roulement du palier magnétique.
2. Dispositif pour améliorer le comportement dynamique d'un palier magnétique pour un rotor ferromagnétique à sustentation magnétique, avec un régulateur de position pour le flux de courant, à travers au moins une bobine d'actionnement (1) dans un circuit magnétique, ladite bobine garantissant un flux magnétique déterminé dans l'entrefer (5) du palier magnétique, caractérisé par un dispositif de mesure (6a, 6b) qui mesure le flux magnétique directement dans l'entrefer (5) et dont le signal de mesure faisant fonction de grandeur réglante alimente un circuit de régulation (10, 8) qui complète le régulateur de position et qui, à travers la bobine d'actionnement (1), agit sur le courant de façon à minimaliser les variations
du flux magnétique dans l'entrefer.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est au moins une bobine de mesure (6a, 6b) directement traversée par le champ
magnétique de l'entrefer.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la grandeur réglée de consigne adoptée pour la régulation de courant par l'intermédiaire de la bobine d'actionnement (1) est une valeur déterminée de la tension
induite dans la bobine de mesure (6a, 6b).
5. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le régulateur du courant d'actionnement constitué d'un régulateur de position et d'un régulateur complémentaire est optimisé en fonction d'une valeur déterminée de la tension induite dans la bobine
d'actionnement utilisée comme grandeur réglée de consigne.
6. Dispositif selon une des revendications précédentes 2 à
, caractérisé en ce que le régulateur complémentaire
présente une caractéristique P-I.
7. Dispositif selon une des revendications précédentes 2 à
6, caractérisé en ce que le capteur de flux magnétique
utilisé dans l'entrefer (5) est une sonde de Hall.
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