WO2014013147A1 - Actionneur comprenant deux moteur paliers magnétiques - Google Patents

Actionneur comprenant deux moteur paliers magnétiques Download PDF

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WO2014013147A1
WO2014013147A1 PCT/FR2013/000190 FR2013000190W WO2014013147A1 WO 2014013147 A1 WO2014013147 A1 WO 2014013147A1 FR 2013000190 W FR2013000190 W FR 2013000190W WO 2014013147 A1 WO2014013147 A1 WO 2014013147A1
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bis
bearing
actuator
motor
stator
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PCT/FR2013/000190
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English (en)
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Romain RAVAUD
Jeremy MECH
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Whylot Sas
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
    • F16C32/0497—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor generating torque and radial force
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings

Definitions

  • the present invention relates to an actuator comprising two magnetic bearing motors.
  • a bearing motor which forms a dual function actuator that integrates the windings of the centralizer and the motor into a single actuator.
  • Such an actuator makes it possible to reduce the number of elements in the rotating system and to maintain independent control of the torque and radial forces. Configurations with the windings of the bearing and the motor in common on a single device also exist. Bearing motor embodiments incorporate certain defects such as a magnetic circuit containing iron, which is responsible for additional loss of eddy currents at high frequencies. Bearing motors also require a power electronics rich in communication cells as well as complex control processes, which hinders their industrialization.
  • a passive magnetic bearing uses permanent magnets while an active magnetic bearing uses a current coil around a magnetic circuit, said coil being used to create attractive forces in its environment.
  • the active bearings are slaved to obtain an effective support of the shaft, this by a control electronics often sophisticated and expensive.
  • Another source of loss is due to the presence of iron in the components of the actuator or the part that it drives.
  • the presence of iron in said elements is responsible for additional loss by eddy currents, especially at high frequencies.
  • EP-A-2 107 668 discloses a rotating electrical machine, in which a magnetic support force can be realized even when the rotor length is important.
  • the rotating electrical machine has a rotor mounted on the main shaft and a stator surrounding the rotor.
  • the rotor has a first section producing a rotational torque in the circumferential direction of the rotor shaft or torque and the bearing force and a second section creating an outward bearing force in the radial direction of the rotor. the rotor shaft.
  • WO-A-02/40884 discloses a rotating machine with a rotary shaft supported by first and second radial magnetic bearings driven by a current control device.
  • the rotary shaft is equipped with an axial thrust device comprising a rotor formed of a solid disc. This document describes no bearing motor but only radial magnetic bearings and has the same disadvantages as previously mentioned.
  • the object of the present invention is to provide an actuator for reducing all the friction that it undergoes during its operation as well as to rotate its motor shaft by eliminating any parasitic movements that may be caused during its rotation.
  • the present invention relates to an actuator with at least one magnetic bearing motor, said at least one motor comprising a rotor and a stator, the rotor being magnetically suspended relative to the stator, characterized in that it comprises two bearing motors magnetic arranged in the extension of one another, the two bearing motors being angularly offset relative to each other and in that between the two bearing motors is interposed an active or passive stop, said stop acting on the rotor and stator portions of each bearing motor, a housing being provided on the actuator between the first and second bearing motors for receiving the stop.
  • Such an actuator with two bearing motors makes it possible to guarantee a constant torque for the rotation shaft, the torque of one of the bearing motors being zero in certain angular positions and being compensated for by the torque of the other bearing motor.
  • the two bearing motors are offset by a mechanical angle of
  • each bearing motor is formed of magnets symmetrically distributed around the stator portion of said bearing motor.
  • the magnets are distributed to form a Halbach structure for creating a magnetic flux of an asymmetrical profile, said flux being amplified on one side of the structure being reduced or canceled on the other side.
  • the magnets are based on lanthanides, organometallic magnets or organic magnets.
  • stator and the rotor are made of composite or ceramic material.
  • each bearing motor is formed of a substantially cylindrical core having grooves for the passage of at least one coil between two consecutive grooves.
  • the three groups of coils are mounted in a star, the sum of the three currents for each bearing motor being zero.
  • the actuator comprises means for controlling and controlling the parameters of its positioning by variation of the currents transmitted to said at least one coil, detection means in the form of at least one inductive sensor being provided on said actuator, the control means being active on the intensity of the currents transmitted to the coils of each bearing motor.
  • the invention also relates to a method for controlling such an actuator, comprising a step of varying currents transmitted to said at least one stator coil of the actuator, said step being made as a function of the position and the torque of the actuator. actuator.
  • said at least one coil of each bearing motor is powered by at least one current, the intensity of the current of the second bearing motor may or may not be different from the intensity of the current of the first bearing motor.
  • each bearing motor is powered by at least three currents, each current supplying a respective group of coils, the three currents of the first bearing motor being different or different from the three currents of the second bearing motor.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a driven element about an axis with mention of the various degrees of freedom
  • FIG. 2 represents a perspective view of an actuator composed of two bearing motors according to the present invention
  • FIG. 3a shows a side view of the stator for an actuator according to the present invention, this stator being formed of two stator parts each of which corresponds to a bearing motor,
  • FIG. 3b represents a longitudinal sectional view of the stator of FIG. 3a
  • FIG. 3c represents a perspective view of the stator of FIG.
  • FIG. 3d represents a developed view of a winding on the stator of FIG. 3a
  • FIG. 4 represents a sectional view along A-A of the first bearing motor of the actuator according to the present invention
  • FIG. 5 represents a sectional view along B-B of the second bearing motor of the actuator according to the present invention
  • FIG. 6 shows a sectional view along A-A or B-B of a bearing motor of the actuator according to another embodiment of the present invention, the rotor magnets being in this figure placed in a Halbach arrangement,
  • FIG. 7 represents a perspective view of a magnetic stop that can be interposed between the two bearing motors of the actuator according to the invention
  • FIG. 8 represents an axial sectional view of the abutment of FIG. 7,
  • FIGS. 9a, 9b and 9c show the force curves respectively along the X, Y and Z axes indicated in FIG.
  • FIG. 1 shows a rotating element V and its shaft A, the rotating element being able to be a flywheel. In this figure, it is indicated the possible degrees of freedom of the rotating element V.
  • this rotating element V Assuming that this rotating element V is completely free, its movement in space can be described by the combination of three translations and three rotations with respect to an orthonormal coordinate system which is shown with an axis Z extending along the axis of the rotation shaft A of the element V, an axis Y contained in the plane of the element V, the axis X being perpendicular to the first two axes Z and Y.
  • the three degrees of freedom in rotation are respectively the rotation around the Y axis, the rotation ⁇ about the X axis and the rotation ⁇ about the Z axis.
  • the rotation ⁇ In the case of a flywheel V of inertia intended to rotate around the Z axis, only the rotation ⁇ must be free, the other rotations being considered parasitic rotations.
  • an actuator having two bearing motors angularly offset relative to each other, said bearing motors to be described later more precisely.
  • angular offset of the two bearing motors relative to each other is understood an offset relative to the poles of the bearing motors relative to each other.
  • Both bearing motors can be similar as of different design.
  • the use of two bearing motors offset angularly relative to each other makes it possible to transmit a driving torque by action by rotation ⁇ about the Z axis but also to exert radial forces to control the forces R1 and R2. as well as the rotations a and ⁇ .
  • the degree of freedom in translation along the Z axis is maintained by an advantageously passive magnetic stop. This concerns friction losses that the present invention wishes to reduce.
  • the present invention provides for the actuator and the associated element to be made of nonferrous materials. This applies for example particularly to the magnets of the parts rotor and the stator parts of the two-motor actuator bearings.
  • the actuator according to the invention combines the characteristics of a permanent magnet synchronous electric machine with magnetic rolling functions.
  • the actuator is composed of two bearings motor 1 and 1 bis angularly offset. This makes it possible to guarantee a constant torque for the rotation shaft, the torque of one of the bearing motors 1 or 1bis being able to be zero in certain angular positions and being compensated for by the torque of the other bearing motor 1 bis or 1.
  • two bearing motors 1 and 1 bis forming part of the actuator may be synchronous machines with permanent magnets in the rotor part.
  • the bearing motors 1 and 1a are composed of six poles and three coils in the example below, but other structures are possible for controlling several axes, such as, for example, the four-stage motor. poles and coils.
  • Each bearing motor 1 and 1 bis has, first of all, an external rotor with permanent magnets 3 and 3bis polarized and alternating.
  • the arrangement of the polarized and alternating permanent magnets 3 and 3bis can be done either conventionally or by a Halbach structure. It is also possible to have an inner rotor surrounded by a stator.
  • the arrangement of the magnets 3 and 3bis according to such a structure makes it possible to amplify the magnetic field on one side of the magnets 3 and 3bis while the magnetic field is canceled on the other side of the magnets 3 and 3bis.
  • the arrows in the magnets 3, 3bis indicate the direction of the magnetic field.
  • the permanent magnets 3 and 3bis are advantageously directly fixed on the rotating portion, which makes it possible to suppress the coupling of the rotor and the magnets 3 and 3bis.
  • the inner stator carries coils 4.
  • the coils 4 may advantageously be made of copper or aluminum.
  • the stator is formed of a core 5 corresponding to the stator part 4 of the first bearing motor 1 and of a core 5a corresponding to the stator part 4a of the second motor. bearing.
  • the cores 5, 5a are of substantially cylindrical shape and between the cores 5 and 5a is disposed a housing 10 for a magnetic stop, which will be described later.
  • the stator shown in Figures 3a to 3c also comprises a receiving cavity 12 for an inductive sensor, said inductive sensor delivering a signal for controlling the position of the shaft carrying the actuator.
  • Each core 5, 5bis has grooves 11, preferably longitudinal, advantageously six grooves 1 1 for winding coils on the peripheral portion of the core 5, 5a delimited by two adjacent grooves 1 1.
  • stator part of the first bearing motor 1 and the stator part of the second bearing motor 1a are angularly offset with respect to each other, the grooves 11 of the first stator being angularly offset by relative to the grooves 1 1 of the second stator.
  • FIG. 3d a winding is shown in developed and connecting two coils 41 between a groove 11.
  • This winding can advantageously form an X between the two adjacent coils 41 of a stator.
  • the coils 41 to 46 as well as 41 bis to 46 bis which will be shown in FIGS. 4 and 5.
  • the stator part which is inside each bearing motor 1, 1 bis is composed of six coils 41 to 46, 41 bis to 46 bis on the core 5, 5 bis at low permeability, advantageously around periphery portions of the core 5, 5a delimited by two adjacent grooves 1, as shown in FIG. 3d.
  • the core 5, 5bis does not contain iron.
  • the winding of a phase is composed of two adjacent coils, connected by a circuit 6 or 6bis, only one of which is referenced in FIG. 4 or 5.
  • Such an assembly contributes to the generation of a driving torque and a force radial on the rotor.
  • the three coils 41 to 46, 41 bis to 46 bis are star-coupled and fed by three currents it, i2, i3 or il bis, i2bis, i3bis whose sum is zero for each of the bearing motors 1 or 1 bis.
  • Figure 6 illustrates an embodiment of a bearing motor other than that shown in Figures 4 and 5.
  • the magnets 3 are arranged in a Halbach structure. Such a structure increases the magnetic field of one side of the bearing motor while it decreases or cancels the other side.
  • the Halbach structure comprises twelve magnets 3 forming the rotor part of a bearing motor with arrows symbolizing the direction of the magnetic field.
  • the stator portion of the bearing motor remains essentially unchanged with respect to FIGS. 4 and 5.
  • it is possible to use a Halbach structure for each bearing motor provided on the actuator which presents the advantage of allowing a better flow concentration and directly increases the performance of the actuator, the two bearing motors having an angular offset existing between them.
  • the bearing motor structure 1 or 1 bis allows independent control and uncoupled three degrees of freedom X, Y and Z using a digital control of the three currents M, i2, i3 or i1bis, i2bis, i3bis as a function of position and torque.
  • the electronic control of the actuator comprises means for controlling and controlling the positioning parameters of its shaft by varying the currents transmitted to said at least one coil, in the figures three groups of coils by bearing motor.
  • This electronic control also comprises detection means, for example in the form of at least one inductive sensor, provided on the actuator previously described.
  • the detection means monitor the position of the rotor of the actuator relative to its stator and the control means are active on the intensity of the currents transmitted to the coils of each bearing motor in order to bring the rotor back to its working position. predetermined.
  • the rotor thus remains levitated with respect to the stator while being maintained at a very short distance from the stator, this in a safe manner.
  • the actuator requires only three inverter arms to power the coils 41 to 46, 41 bis to 46 bis by non-sinusoidal currents.
  • the numerical control of the three switching cells of the inverter makes it possible to generate constant forces independent of the angle of rotation while the torque is zero at certain angular positions. Guaranteeing a constant torque is therefore only possible by combining two bearings 1 or 1a motors staggered angularly as proposed by the present invention.
  • the actuator is composed of two bearing motors 1, 1 bis angularly offset by 90 ° electrical or an angle of 22.5 ° mechanical for a six-pole motor.
  • the two associated bearing motors 1, 1 bis make it possible to control the two additional degrees of freedom in rotation called rotation around the Y axis. and rotation ⁇ about the X axis opposite FIG.
  • the actuator of the present invention by the control of six non-sinusoidal currents allows to create fully decoupled forces and moments as a function of the position and the motor torque.
  • the magnets employed in the bearing motors 1, 1 bis of the present invention do not contain iron. They are advantageously based on lanthanides otherwise called rare earths, for example samarium cobalt. Alternatively, the magnets may be coordination chemistry magnets, organometallic magnets, for example vanadium di-tetracyanoethylenethide or very low iron content neodymium iron boron and / or purely organic magnets, for example CHNO .
  • elements other than iron are preferred. These elements can be based on composite or ceramic.
  • Figures 7 and 8 show a magnetic stop 13. This stop is likely to be disposed between the first and second bearing motor 1, 1 bis in a housing 0, as has been shown in particular in Figures 2, 3a to 3c. It should be noted that this magnetic stop can be passive or active.
  • the magnetic stop 13 may comprise a series of three concentric rings 13a serving as a stop to the rotor of the two bearing motors and a series of three concentric rings 13b serving as a stop to the stator of the two bearing motors .
  • FIGS. 9a, 9b and 9c respectively show the unit force curves along the X axis, the unit force along the Y axis and the unit moment along the Z axis as a function of the rotation angle of the actuator, this for each of the two bearing motors, the dashed curve designating that of one of the bearing motors and the curve with circles designating the other bearing motor.
  • the moment curve of a bearing motor can have a zero value for certain angular positions and thus obtaining a constant moment is only possible by combining two angularly offset bearing motors.
  • the actuator according to the present invention makes it possible to create fully decoupled forces and moments as a function of the position and the motor torque.
  • the actuator with two bearing motors according to the present invention is of robust and economical design. Due to the presence of at least one inductive sensor, a better monitoring and a better control of the movement of the actuator are possible, resulting in a gain in performance and reliability of the actuator.
  • Such an actuator with two bearing motors is not subject to friction, the magnetic bearings operating without contact, which reduces the energy consumption of the actuator and increases the life of the actuator.
  • the absence of contact also reduces the noise emitted by the actuator during its movement. This allows an increase in the speed with a possible reduction of the size of the actuator bearing motors compared to a actuator of the state of the art.

Abstract

L'invention concerne un actionneur comprenant deux moteur paliers magnétiques. Cet actionneur est caractérisé en ce qu'il comprend deux moteur paliers magnétiques (1, 1 bis) disposés dans le prolongement l'un de l'autre, les deux moteur paliers (1, 1 bis) étant décalés angulairement l'un par rapport à l'autre et en ce qu'entre les deux moteur paliers (1, 1 bis) est intercalée une butée (13) active ou passive, ladite butée (13) agissant sur les parties rotor (3, 3bis) et stator (4, 4bis) de chaque moteur palier (1, 1 bis), un logement (10) étant prévu sur l'actionneur entre les premier et second moteur paliers (1, 1 bis) pour la réception de la butée (13). Application dans le domaine des machines électriques.

Description

«Actionneur comprenant deux moteur paliers magnétiques»
La présente invention concerne un actionneur comprenant deux moteur paliers magnétiques.
Les moteurs ou générateurs électriques classiques nécessitent des paliers dans le but de supporter et de guider en rotation un arbre de transmission. Les organes mécaniques majoritairement utilisés dans les applications courantes sont les roulements à billes ou les paliers lisses. Leurs limites de fonctionnement sont néanmoins très rapidement atteintes dans les applications à très haute vitesse de rotation, à atmosphère spécifique ou dans le vide, à très basse ou haute température ou bien dans les domaines dans lesquels les frottements et l'usure doivent être minimisés.
Dans ces cas, il est connu d'utiliser des paliers magnétiques pour des moteurs ou générateurs électriques, ces paliers magnétiques n'étant pas soumis à l'usure par frottement. Un tel palier magnétique assure l'absence de contact entre la partie fixe d'un moteur, appelée stator et la partie mobile dudit moteur appelée rotor, le rotor et le stator étant séparés par un entrefer de quelques dixièmes de millimètres.
Ainsi, il est connu d'utiliser un moteur avec un système de palier magnétique afin de répondre aux contraintes de fonctionnement citées précédemment. Pour cela, il a été développé un moteur palier formant un actionneur à double fonction qui intègre les bobinages du centreur et du moteur dans un actionneur unique.
Un tel actionneur permet de réduire le nombre d'éléments dans le système tournant et de conserver une commande indépendante du couple et des forces radiales. Des configurations avec les bobinages du palier et du moteur en commun sur un dispositif unique existent également. Des modes de réalisation de moteur paliers intègrent certains défauts tels qu'un circuit magnétique contenant du fer, responsable de perte supplémentaire par courants de Foucault à des fréquences élevées. Les moteur paliers nécessitent de plus une électronique de puissance riche en cellules de communication ainsi que des procédés de commande complexes, ce qui freine leur industrialisation.
Il peut exister deux sortes de palier magnétique qualifiées de palier passif et de palier actif. Un palier magnétique passif utilise des aimants permanents tandis qu'un palier magnétique actif utilise une bobine parcourue par un courant autour d'un circuit magnétique, ladite bobine permettant de créer des forces d'attraction dans son environnement. Comme précédemment mentionné, les paliers actifs sont asservis pour obtenir un support efficace de l'arbre, ceci par une électronique de commande souvent sophistiquée et coûteuse.
Lors de la rotation d'un objet autour de son axe le plus souvent central, il convient de contrôler cinq degrés de liberté se décomposant en trois degrés de liberté en translation et deux degrés de liberté en rotation. Ceci ne peut être effectué par des paliers passifs et il convient d'utiliser au moins un palier actif. Le contrôle d'une suspension magnétique active introduit cependant des pertes ainsi que des problèmes de sécurité et de fiabilité.
Une autre source de perte est due à la présence de fer dans les éléments constitutifs de l'actionneur ou de la pièce qu'il entraîne. La présence de fer dans lesdits éléments est responsable de perte supplémentaire par courants de Foucault, ceci notamment à des fréquences élevées. Il y a aussi une autodécharge naturelle de l'actionneur et de la pièce associée quand ils ne sont pas utilisés.
Le document EP-A-2 107 668 décrit une machine électrique tournante, dans laquelle une force de support magnétique peut être réalisé même lorsque la longueur du rotor est importante. La machine électrique tournante comporte un rotor monté sur l'arbre principal et un stator entourant le rotor.
Le rotor présente une première section produisant un couple de rotation dans la direction circonférentielle de l'arbre du rotor ou du couple et de la force d'appui et une deuxième section créant une force d'appui vers l'extérieur dans la direction radiale de l'arbre du rotor.
Les deux sections du rotor sont disposées en tandem le long de l'arbre principal. Ce document a donc trait à un moteur palier unique et présente les mêmes désavantages que l'état de la technique mentionné.
Dans une illustration de l'état de la technique indiquée dans ce document, il est cité un moteur palier disposant de deux rotors espacés l'un de l'autre et coopérant avec un stator fait d'une seule unité. Cet état de la technique présente donc les mêmes inconvénients que précédemment mentionné.
Le document WO-A-02/40884 décrit une machine tournante avec un arbre rotatif supporté par des premier et deuxième paliers magnétiques radiaux pilotés en courant par un dispositif de commande. L'arbre rotatif est équipé d'un dispositif de butée axiale comprenant un rotor formé d'un disque solidaire. Ce document ne décrit aucun moteur palier mais seulement des paliers magnétiques radiaux et présente les mêmes inconvénients que précédemment mentionné.
Le but de la présente invention est de fournir un actionneur permettant de diminuer tous les frottements qu'il subit lors de son fonctionnement de même que d'effectuer la rotation de son arbre moteur en éliminant tous les mouvements parasites pouvant être provoqués pendant sa rotation.
A cet effet, la présente invention concerne un actionneur à au moins un moteur palier magnétique, ledit au moins un moteur comprenant un rotor et un stator, le rotor étant suspendu magnétiquement par rapport au stator, caractérisé en ce qu'il comprend deux moteur paliers magnétiques disposés dans le prolongement l'un de l'autre, les deux moteur paliers étant décalés angulairement l'un par rapport à l'autre et en ce qu'entre les deux moteur paliers est intercalée une butée active ou passive, ladite butée agissant sur les parties rotor et stator de chaque moteur palier, un logement étant prévu sur l'actionneur entre les premier et second moteur paliers pour la réception de la butée.
Un tel actionneur à deux moteur paliers permet de garantir un couple constant pour l'arbre de rotation, le couple d'un des moteur paliers pouvant être nul dans certaines positions angulaires et étant compensé par le couple de l'autre moteur palier.
Selon des caractéristiques préférentielles de la présente invention :
- les deux moteur paliers sont décalés d'un angle mécanique de
22,5°.
- la partie rotor de chaque moteur palier est formée d'aimants symétriquement répartis autour de la partie stator dudit moteur palier.
- les aimants sont répartis afin de former une structure d'Halbach permettant de créer un flux magnétique d'un profil dissymétrique, ledit flux étant amplifié d'un côté de la structure en étant diminué voire annulé de l'autre côté.
- les aimants sont à base de lanthanides, des aimants organo- métalliques ou des aimants organiques.
- le stator et le rotor sont en matériau composite ou céramique.
- la partie stator de chaque moteur palier est formée d'un noyau sensiblement cylindrique présentant des rainures pour le passage d'au moins une bobine entre deux rainures consécutives.
- les trois groupes de bobines sont montés en étoile, la somme des trois courants pour chaque moteur palier étant nulle.
- l'actionneur comprend des moyens de commande et contrôle des paramètres de son positionnement par variation des courants transmis à ladite au moins une bobine, des moyens de détection sous la forme d'au moins un capteur inductif étant prévus sur ledit actionneur, les moyens de commande étant actifs sur l'intensité des courants transmis aux bobines de chaque moteur palier.
L'invention concerne aussi un procédé de commande d'un tel actionneur, comprenant une étape de variation des courants transmis à ladite au moins une bobine du stator de l'actionneur, ladite étape se faisant en fonction de la position et du couple de l'actionneur.
Avantageusement, ladite au moins une bobine de chaque moteur palier est alimentée par au moins un courant, l'intensité du courant du second moteur palier pouvant être différente ou non de l'intensité du courant du premier moteur palier.
Avantageusement, chaque moteur palier est alimenté par au moins trois courants, chaque courant alimentant un groupe respectif de bobines, les trois courants du premier moteur palier pouvant être différents ou non des trois courants du second moteur palier.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue en perspective d'un élément entraîné autour d'un axe avec mention des différents degrés de liberté,
- la figure 2 représente une vue en perspective d'un actionneur composé de deux moteur paliers selon la présente invention,
- la figure 3a représente une vue latérale du stator pour un actionneur selon la présente invention, ce stator étant formé de deux parties stator dont chacune correspond à un moteur palier,
- la figure 3b représente une vue en coupe longitudinale du stator de la figure 3a,
- la figure 3c représente une vue en perspective du stator de la figure
3a, - la figure 3d représente une vue en développé d'un bobinage sur le stator de la figure 3a,
- la figure 4 représente une vue en coupe selon A-A du premier moteur palier de l'actionneur selon la présente invention,
- la figure 5 représente une vue en coupe selon B-B du second moteur palier de l'actionneur selon la présente invention,
- la figure 6 représente une vue en coupe selon A-A ou B-B d'un moteur palier de l'actionneur selon une autre forme de réalisation de la présente invention, les aimants du rotor étant à cette figure placés dans une disposition d'Halbach,
- la figure 7 représente une vue en perspective d'une butée magnétique pouvant être intercalée entre les deux moteur paliers de l'actionneur selon l'invention,
- la figure 8 représente une vue en coupe axiale de la butée de la figure 7,
- les figures 9a, 9b et 9c montrent les courbes d'effort respectivement selon les axes X, Y et Z indiqués à la figure 1.
La figure 1 montre un élément tournant V et son arbre A, l'élément tournant pouvant être un volant d'inertie. A cette figure, il est indiqué les possibles degrés de liberté de l'élément tournant V.
En supposant que cet élément tournant V soit complètement libre, son mouvement dans l'espace peut se décrire par la combinaison de trois translations et de trois rotations par rapport à un repère orthonormé qui est montré avec un axe Z s'étendant selon l'axe de l'arbre A de rotation de l'élément V, un axe Y contenu dans le plan de l'élément V, l'axe X étant perpendiculaire aux deux premiers axes Z et Y.
Les trois degrés de liberté en rotation sont respectivement la rotation a autour de l'axe Y, la rotation β autour de l'axe X et la rotation γ autour de l'axe Z. Dans le cas d'un volant V d'inertie destiné à tourner autour de l'axe Z, seule la rotation γ doit être libre, les autres rotations étant considérées comme des rotations parasites.
Toujours en supposant que l'élément V soit complètement libre, il existe trois degrés de liberté en translation selon les axes X, Y et Z. Ceci peut se passer aux deux extrémités de l'arbre A de l'élément V et il convient de limiter ces degrés de liberté en translation pour obtenir un fonctionnement optimal de l'élément V tournant avec son arbre A. Il convient de surveiller s'il ne se crée pas un décalage aux deux extrémités de l'arbre A, décalage qui peut se résumer en deux composantes respectives X1 , Y1 et X2, Y2 donnant une résultante respective R1 et R2, ceci par rapport à un repère orthonormé centré sur chacune des extrémités.
Conformément à la présente invention, il est utilisé un actionneur présentant deux moteur paliers décalés angulairement l'un par rapport à l'autre, lesdits moteur paliers allant être décrits ultérieurement plus précisément. Par décalage angulaire des deux moteur paliers l'un par rapport à l'autre il est entendu un décalage par rapport aux pôles des moteur paliers l'un par rapport à l'autre.
Les deux moteurs paliers peuvent être similaires comme de conception différente. L'utilisation de deux moteur paliers décalés angulairement l'un par rapport à l'autre permet de transmettre un couple moteur par action par rotation γ autour de l'axe Z mais aussi d'exercer des forces radiales pour contrôler les forces R1 et R2 ainsi que les rotations a et β. Le degré de liberté en translation selon l'axe Z est maintenu par une butée magnétique avantageusement passive. Ceci concerne les pertes par frottement que la présente invention souhaite réduire.
En ce qui concerne les pertes par courants de Foucault, la présente invention prévoit de réaliser l'actionneur et l'élément associé en des matériaux non ferreux. Ceci vaut par exemple particulièrement pour les aimants des parties rotor et les parties stator de l'actionneur à deux moteur paliers.
En se référant maintenant aux figures 2 à 5, l'actionneur selon la présente invention va être maintenant décrit. L'actionneur selon l'invention combine les caractéristiques d'une machine électrique synchrone à aimant permanent avec les fonctions de roulement magnétique.
L'actionneur est composé de deux moteur paliers 1 et 1 bis décalés angulairement. Ceci permet de garantir un couple constant pour l'arbre de rotation, le couple d'un des moteur paliers 1 ou 1bis pouvant être nul dans certaines positions angulaires et étant compensé par le couple de l'autre moteur palier 1 bis ou 1. Les deux moteur paliers 1 et 1 bis faisant partie de l'actionneur peuvent être des machines synchrones à aimants permanents dans la partie rotor.
Aux figures 2 à 5, les moteur paliers 1 et 1 bis sont composés de six pôles et de trois bobines dans l'exemple ci-dessous, mais d'autres structures sont possibles pour commander plusieurs axes, comme par exemple le moteur palier à quatre pôles et bobines.
Chaque moteur palier 1 et 1 bis possède, tout d'abord, un rotor extérieur à aimants permanents 3 et 3bis polarisés et alternés. L'arrangement des aimants permanents 3 et 3bis polarisés et alternés peut se faire soit de manière classique soit par une structure d'Halbach. Il est aussi possible d'avoir un rotor intérieur entouré d'un stator.
Comme montré à la figure 6 illustrant une structure de Halbach, la disposition des aimants 3 et 3bis selon une telle structure permet d'amplifier le champ magnétique d'un côté des aimants 3 et 3bis tandis que le champ magnétique est annulé de l'autre côté des aimants 3 et 3bis. A cette figure, les flèches dans les aimants 3, 3bis indiquent la direction du champ magnétique. Les aimants permanents 3 et 3bis sont avantageusement directement fixés sur la portion tournante, ce qui permet de supprimer l'accouplement du rotor et des aimants 3 et 3bis. Le stator intérieur porte des bobines 4. Les bobines 4 peuvent avantageusement être en cuivre ou en aluminium.
Comme il est particulièrement bien visible aux figures 3a, 3b 3c et 3d, le stator est formé d'un noyau 5 correspondant à la partie stator 4 du premier moteur palier 1 et d'un noyau 5bis correspondant à la partie stator 4bis du second moteur palier. Les noyaux 5, 5bis sont de forme sensiblement cylindrique et entre les noyaux 5 et 5bis est disposé un logement 10 pour une butée magnétique, qui sera ultérieurement décrite. Le stator montré aux figures 3a à 3c comprend aussi une cavité 12 de réception pour un capteur inductif, ledit capteur inductif délivrant un signal permettant de contrôler la position de l'arbre portant l'actionneur.
Chaque noyau 5, 5bis présente des rainures 11 , préférentiellement longitudinales, avantageusement six rainures 1 1 pour l'enroulement de bobines sur la portion périphérique du noyau 5, 5bis délimitée par deux rainures 1 1 voisines.
A la figure 3c, il est visible que la partie stator du premier moteur palier 1 et la partie stator du second moteur palier 1 bis sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre, les rainures 11 du premier stator étant décalées angulairement par rapport aux rainures 1 1 du second stator.
A la figure 3d, il est montré un bobinage en développé et raccordant deux bobines 41 entre une rainure 11. Ce bobinage peut avantageusement former un X entre les deux bobines 41 adjacentes d'un stator. Ceci est aussi valable pour les bobines 41 à 46 ainsi que 41 bis à 46bis qui vont être montrées aux figures 4 et 5. Comme il est particulièrement bien visible aux figures 4 et 5, la partie stator qui est à l'intérieur de chaque moteur palier 1 , 1 bis est composée de six bobines 41 à 46, 41 bis à 46bis sur le noyau 5, 5bis à faible perméabilité, avantageusement autour de portions de périphérie du noyau 5, 5bis délimitées par deux rainures 1 voisines, comme montré à la figure 3d.
En regard des figures 4 et 5, avantageusement, pour diminuer les pertes dues à la présence de fer, le noyau 5, 5bis ne contient pas de fer. Le bobinage d'une phase est composé de deux bobines voisines, connectées par un circuit 6 ou 6bis, dont un seul est référencé à la figure 4 ou 5. Un tel montage contribue à la génération d'un couple moteur et d'une force radiale sur le rotor. Les trois bobines 41 à 46, 41 bis à 46bis sont couplées en étoile et alimentées par trois courants il , i2, i3 ou il bis, i2bis, i3bis dont la somme est nulle pour chacun des moteur paliers 1 ou 1 bis.
La figure 6 illustre un mode de réalisation d'un moteur palier autre que celui présenté aux figures 4 et 5. A la figure 6, les aimants 3 sont disposés selon une structure de Halbach. Une telle structure augmente le champ magnétique d'un côté du moteur palier tandis qu'elle le diminue voire l'annule de l'autre côté.
La structure d'Halbach comprend douze aimants 3 formant la partie rotor d'un moteur palier avec des flèches symbolisant la direction du champ magnétique. La partie stator du moteur palier reste quant à elle sensiblement inchangée par rapport aux figures 4 et 5. Pour un actionneur, il est possible d'utiliser une structure d'Halbach pour chaque moteur palier prévu sur l'actionneur, ce qui présente l'avantage de permettre une meilleure concentration de flux et augmente directement la performance de l'actionneur, les deux moteur paliers présentant un décalage angulaire existant entre eux.
En se référant à toutes les figures, la structure de moteur palier 1 ou 1 bis permet une commande indépendante et découplée des trois degrés de liberté X, Y et Z en utilisant un contrôle numérique des trois courants M , i2, i3 ou i 1 bis, i2bis, i3bis en fonction de la position et du couple.
La commande électronique de l'actionneur selon la présente invention comprend des moyens de commande et contrôle des paramètres de positionnement de son arbre par variation des courants transmis à ladite au moins une bobine, aux figures trois groupes de bobines par moteur palier. Cette commande électronique comprend aussi des moyens de détection, par exemple sous la forme d'au moins un capteur inductif, prévu sur l'actionneur précédemment décrit.
Ainsi, les moyens de détection surveillent la position du rotor de l'actionneur par rapport à son stator et les moyens de commande sont actifs sur l'intensité des courants transmis aux bobines de chaque moteur palier afin de ramener le rotor dans sa position de travail prédéterminée. Le rotor reste ainsi en lévitation par rapport au stator en étant maintenu à très faible distance du stator, ceci de manière sûre.
L'actionneur ne requiert seulement que trois bras d'onduleur pour alimenter les bobines 41 à 46, 41 bis à 46bis par des courants non sinusoïdaux. La commande numérique des trois cellules de commutation de l'onduleur permet de générer des forces constantes indépendantes de l'angle de rotation tandis que le couple est nul à certaines positions angulaires. Garantir un couple constant n'est donc seulement possible qu'en associant deux moteur paliers 1 ou 1 bis décalés angulairement comme le propose la présente invention.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'actionneur est composé de deux moteur paliers 1 , 1 bis décalés angulairement de 90° électrique soit un angle de 22,5° mécanique pour un moteur à six pôles. Outre l'avantage d'obtenir un couple constant indépendant de l'angle de rotation, les deux moteur paliers 1 , 1 bis associés permettent de contrôler les deux degrés de liberté supplémentaire en rotation dénommés rotation autour de l'axe Y et rotation β autour de l'axe X en regard de la figure 1.
L'actionneur de la présente invention par le contrôle de six courants non sinusoïdaux permet de créer des forces et des moments totalement découplés en fonction de la position et du couple moteur.
Les aimants employés dans les moteur paliers 1 , 1 bis de la présente invention ne contiennent pas de fer. Ils sont avantageusement à base de lanthanides autrement appelés terres rares, par exemple en samarium cobalt. En alternative, les aimants peuvent être des aimants de chimie de coordination, des aimants organo-métalliques, par exemple le di-tétracyanoéthylénure de vanadium ou en néodyne fer bore à très faible teneur en fer et/ou des aimants purement organiques, par exemple CHNO.
Pour la réalisation de l'actionneur, des éléments autres que le fer sont préférés. Ces éléments peuvent être à base de composite ou de céramique.
Les figures 7 et 8 montrent une butée magnétique 13. Cette butée est susceptible d'être disposée entre les premier et second moteur paliers 1 , 1 bis dans un logement 0, comme il a été montré notamment aux figures 2, 3a à 3c. Il est à noter que cette butée magnétique peut être passive ou active.
Comme illustré de manière non limitative à ces deux figures, la butée magnétique 13 peut comprendre une série de trois anneaux concentriques 13a servant de butée au rotor des deux moteur paliers et une série de trois anneaux concentriques 13b servant de butée au stator des deux moteur paliers.
Les figures 9a, 9b et 9c montrent respectivement les courbes de force unitaire selon l'axe X, la force unitaire selon l'axe Y et le moment unitaire selon l'axe Z en fonction de l'angle de rotation de l'actionneur, ceci pour chacun des deux moteurs paliers, la courbe en pointillés désignant celle d'un des moteur paliers et la courbe avec des cercles désignant l'autre moteur palier.
Il est apparent de la figure 9c que les courbes de moment unitaire d'axe Z sont inversées. La courbe de moment d'un moteur palier peut présenter une valeur nulle pour certaines positions angulaires et donc ainsi l'obtention d'un moment constant n'est seulement possible qu'en associant deux moteur paliers décalés angulairement.
De par le contrôle de six courants non sinusoïdaux, l'actionneur conforme à la présente invention permet de créer des forces et des moments totalement découplés en fonction de la position et du couple moteur.
L'actionneur avec deux moteur paliers selon la présente invention est de conception robuste et économique. De par la présence d'au moins un capteur inductif une meilleure surveillance et un meilleur contrôle du mouvement de l'actionneur sont possibles, d'où un gain de performance et de fiabilité de l'actionneur.
Un tel actionneur avec deux moteur paliers n'est pas soumis à des frottements, les paliers magnétiques fonctionnant sans contact, ce qui diminue la consommation énergétique de l'actionneur et augmente la durée de vie de l'actionneur. L'absence de contact permet aussi de réduire le bruit émis par l'actionneur lors de son mouvement. Ceci permet une augmentation de la vitesse avec une possible réduction de la taille de l'actionneur à moteur paliers par rapport à un actionneur de l'état de la technique.
Avec un tel actionneur à deux moteur paliers magnétiques, du fait du contrôle permanent des bobines, ce contrôle étant piloté par au moins un capteur inductif, il est obtenu une commande très sûre de l'actionneur.
Il a été montré un actionneur avec des moteur paliers présentant un stator interne et un rotor interne mais ceci peut être inversé. L'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré n'a été donné qu'à titre d'exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur à au moins un moteur palier magnétique, ledit au moins un moteur comprenant un rotor (3, 3bis) et un stator (4, 4bis), le rotor (3, 3bis) étant suspendu magnétiquement par rapport au stator (4, 4bis), caractérisé en ce qu'il comprend deux moteur paliers magnétiques (1 , 1 bis) disposés dans le prolongement l'un de l'autre, les deux moteur paliers (1 , 1bis) étant décalés angulairement l'un par rapport à l'autre et en ce qu'entre les deux moteur paliers (1 , 1bis) est intercalée une butée (13) active ou passive, ladite butée (13) agissant sur les parties rotor (3, 3bis) et stator (4, 4bis) de chaque moteur palier (1 , 1 bis), un logement (10) étant prévu sur l'actionneur entre les premier et second moteur paliers (1 , 1 bis) pour la réception de la butée (13).
2. Actionneur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux moteur paliers (1 , 1 bis) sont décalés d'un angle mécanique de 22,5°.
3. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie rotor (3, 3bis) de chaque moteur palier (1 , 1 bis) est formée d'aimants (3, 3bis) symétriquement répartis autour de la partie stator (4, 4bis) dudit moteur palier (1 , 1 bis).
4. Actionneur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les aimants (3, 3bis) sont répartis afin de former une structure d'Halbach permettant de créer un flux magnétique d'un profil dissymétrique, ledit flux étant amplifié d'un côté de la structure en étant diminué voire annulé de l'autre côté.
5. Actionneur selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que les aimants (3, 3bis) sont à base de lanthanides, des aimants organo-métalliques ou des aimants organiques.
6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (4, 4bis) et le rotor (3, 3bis) des actionneurs sont en matériau composite ou céramique.
7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie stator (4, 4bis) de chaque moteur palier (1 , 1 bis) est formée d'un noyau (5) sensiblement cylindrique présentant des rainures (11 ) pour le passage d'au moins une bobine (41 à 46, 41 bis à 46bis) entre deux rainures consécutives.
8. Actionneur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque moteur palier (1 , 1 bis) comprend trois groupes de bobines (41 à 46, 41 bis à 46bis) montés en étoile, la somme des trois courants (il à i3, il bis à i3bis) pour chaque moteur palier (1 , 1 bis) étant nulle.
9. Actionneur selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande et contrôle des paramètres de son positionnement par variation des courants (il à i3, il bis à i3bis) transmis à ladite au moins une bobine (41 à 46, 41 bis à 46bis) de chaque moteur palier (1 , 1 bis), des moyens de détection sous la forme d'au moins un capteur inductif (12) étant prévus sur ledit actionneur, les moyens de commande régulant l'intensité des courants (il à i3, il bis à i3bis) transmis aux bobines (41 à 46, 41 bis à 46bis) de chaque moteur palier (1 , 1 bis).
10. Procédé de commande d'un actionneur selon la revendication précédente, comprenant une étape de variation des courants (il à i3, il bis à i3bis) transmis à ladite au moins une bobine (41 à 46, 41 bis à 46bis) du stator de chaque moteur palier (1 , 1 bis) de l'actionneur, ladite étape se faisant en fonction de la position et du couple de l'actionneur.
11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite au moins une bobine (41 à 46, 41 bis à 46bis) de chaque moteur palier (1 , 1 bis) est alimentée par au moins un courant, l'intensité (M bis à i3bis) du courant du second moteur palier (1 bis) pouvant être différente ou non de l'intensité du courant (il à i3) du premier moteur palier (1 ).
12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque moteur palier (1 , 1 bis) est alimenté par au moins trois courants (il à i3, il bis à i3bis), chaque courant (il à i3, il bis à i3bis) alimentant un groupe respectif de bobines (41 à 46, 41 bis à 46bis), les trois courants (il à i3) du premier moteur palier (1 ) pouvant être différents ou non des trois courants (il bis à i3bis) du second moteur palier (1 bis).
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