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Plan 2 I. Introduction : Un domaine d'application de la mécatronique est celui

Plan 2 I. Introduction : Un domaine d'application de la mécatronique est celui de la sustentation magnétique par attraction. Cette technique est actuellement abordable autant d'un point de vue technologique qu'économique. Mais pour être efficace, la sustentation magnétique par attraction doit être stable. La suspension magnétique est une technologie avec laquelle l’objet est suspendu par la force électromagnétique. Elle est utilisée dans plusieurs domaines par exemple un système de train magnétique (à Shanghai, Chine). Pour réaliser une suspension magnétique, les industriels ont recours à des électroaimants asservis. Pour obtenir un centreur, par exemple, ils utilisent des électroaimants qui exercent des forces sur un arbre en matériau ferromagnétique. La Figure II - 8 représente le stator d’un centreur industriel produit par la société S2M. Lorsque tous les degrés de liberté d’un mobile en suspension magnétique sont contrôlés par électroaimants, la suspension est dite active. Cependant, afin de simplifier certaines suspensions, il est possible d’utiliser des paliers magnétiques à base d’aimants. Mais nous assurons toujours la stabilité grâce à un ou plusieurs paliers actifs. Ces suspensions sont dites partiellement passives. II. Les différents types de palier magnétique : II.1. Les suspensions magnétiques passives : Les paliers magnétiques passifs sont les plus simples à réaliser. Ils sont autonomes. Leur fonctionnement ne nécessite aucun apport d'énergie venant de l'extérieur (à l’inverse des paliers magnétiques actifs), ni un refroidissement (à l’inverse des paliers supraconducteurs). Néanmoins ils ne peuvent être utilisés seuls pour des raisons de stabilité (voir les exemples ciaprès) [YON02]. Les paliers magnétiques passifs doivent donc être associés à un système mécanique (roulement, palier hydrodynamique, butée à aiguille…) ou à un autre type de palier magnétique. Les paliers magnétiques passifs sont de deux types : les paliers à aimants permanents et les paliers à réluctance variable. 3 II.1.1. Les paliers à aimants permanents : Ils sont constitués au minimum de deux bagues d'aimants permanents en interaction, l'une des bagues étant fixe tandis que l'autre est solidaire du rotor. En fonction des directions d'aimantation des deux bagues il est possible d'obtenir, avec la même géométrie, soit un centreur, soit une butée. Figure 1 : Centreur à aimant permanent Dans le cas de la Figure 1, si la bague intérieure se décale radialement, la bague extérieure la repousse vers le centre, il s'agit donc d'un centreur. Dans le cas de la Figure II - 14, si la bague intérieure se décale axialement, la bague extérieure la rappelle dans son plan de symétrie. Il s'agit donc d'une butée. Figure 2 : Butée à aimant permanent Nous pouvons néanmoins mettre en évidence des problèmes d'instabilité liés à ces paliers. Si dans le cas de la butée, la bague intérieure s’éloigne radialement, elle est violemment attirée par la bague extérieure. La butée est donc instable radialement. Inversement, dans le cas du centreur, si la bague intérieure est déplacée axialement, elle sera éjectée par la bague extérieure. Le centreur est donc instable axialement. De même, lorsque la bague intérieure du centreur est décalée angulairement, la bague extérieure exerce des forces qui tendent à créer une rotation plus importante. Le centreur est donc aussi instable angulairement [Figure 3]. 4 Figure 3 : Instabilité angulaire d'un centreur En conclusion, nous pouvons retenir la simplicité de réalisation d'un centreur passif et d'une butée passive. Néanmoins, leur utilisation est rendue délicate par les différentes instabilités qui peuvent survenir. Rappelons qu’une stabilité complète est impossible à obtenir avec ce type de paliers. II.1.2. Les paliers à réluctance variable : Là aussi, nous avons à faire à des systèmes passifs. Ils n'ont par conséquent besoin d'aucune source d'énergie extérieure pour fonctionner. Bien qu'ils puissent comporter des aimants, ces paliers ne fonctionnent pas sur un principe d'interaction directe entre aimants. Ils sont composés de deux circuits magnétiques séparés. L'un des circuits est lié au rotor tandis que l'autre est fixé au stator [Figure 4] Les circuits magnétiques sont composés de "dents" en vis-à-vis. La moitié de ces dents est placée sur la partie statique du palier tandis que l'autre l'est sur la partie mobile. Une différence de potentiel magnétique est créée entre ces dents soit par un aimant soit éventuellement par une bobine. Mais dans ce cas nous ne pouvons plus parler de palier passif. Cette différence de potentiel magnétique crée un flux qui circule entre les dents. Ce flux engendre une pression qui tend à rapprocher les dents. Lorsque nous les décalons latéralement l'une par rapport à l'autre, nous observons dans le même temps, une augmentation de l'énergie magnétique globale stockée dans le système. Les dents cherchent alors à se réaligner afin de minimiser cette énergie. Sur une butée à réluctance variable, les dents doivent être disposées de façon à s'opposer à un déplacement axial du centreur [Figure II - 17]. Cette butée assure donc la stabilité axiale mais est instable latéralement. Le principal avantage de ces suspensions provient du fait qu'elles ne nécessitent pas forcement d'aimant sur leur partie en mouvement. Cela permet d'éliminer bien des problèmes mécaniques lors de la mise en rotation. Malheureusement, elles génèrent des instabilités beaucoup plus importantes qu'un palier à aimant [YON03], ce qui les rend difficiles à contrôler. Un centreur générera une instabilité le 5 Figure 4 : Centreur à réluctance variable long de son axe de rotation tandis qu'une butée serra instable dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Figure 5 : Butée à réluctance variable II.2. Les suspensions magnétiques actives : Les paliers actifs sont des électroaimants dont le courant est asservi pour maintenir la partie mobile du circuit magnétique dans une position fixée. Ils ont besoin d'un apport d'énergie pour fonctionner. Pour alimenter chacun des actionneurs constituant un palier actif, il faut une alimentation de puissance, une commande et un capteur de position. L'exemple le plus simple est celui de la butée active [Figure 6] Nous remarquons la nécessité de mettre en œuvre deux électroaimants pour constituer une butée. Cela s'explique par le fait qu'un électroaimant ne peut exercer que des forces d'attraction. Pour asservir un axe, soit 2 directions, il faut donc 2 actionneurs. Grâce aux asservissements, la position peut être réglée avec une grande précision. Les limitations sont dues aux capteurs, aux saturations (des matériaux ou de la puissance) et à la dynamique de l'asservissement. Pour pouvoir obtenir une suspension complète, il faut associer deux centreurs et une butée. Chaque centreur est constitué de quatre actionneurs et asservit deux axes de liberté [Figure 7]. 6 Figure 6: Principe d'une butée active Figure 7 : Centreur actif Les paliers actifs sont a priori applicables à tous type de système mécanique à condition d'être correctement dimensionnés. Par contre, si leur structure est simple dans le principe (pas d'instabilité puisque correctement asservis), leur mise en œuvre est assez lourde. Une suspension complète nécessite le contrôle de cinq degrés de liberté, donc de dix directions. Cela peut entraîner la mise en œuvre de dix actionneurs, dix capteurs, dix amplificateurs de puissance et cinq commandes reliées entre elles pour tenir compte des couplages mécaniques. La pression magnétique dans un électroaimant étant proportionnelle au carré de l’induction, avec 1 Tesla, il est possible d’obtenir une pression magnétique de 4 bars (P=B²/2µ0 N/m²). Une pression de 10 bars est obtenue sous une induction de 1,6 T et 20 bars sous 2,2 T. Or, une induction de 1,6 T est obtenue facilement avec des matériaux ferromagnétiques courants. Pour atteindre 2,2 T il est nécessaire d’utiliser du fer - cobalt dont l’aimantation à saturation dépasse légèrement 2,4 T. Grâce à ces pressions importantes, les systèmes actifs peuvent supporter de très fortes contraintes. C'est la raison pour laquelle certaines machines de plusieurs tonnes utilisées dans l'industrie lourde (par exemple des compresseurs) sont équipées de paliers actifs. Pour ce type d'application aucun palier magnétique passif ne peut prétendre remplacer le palier actif. III. Domaines d’utilisation : Les paliers magnétiques sont utilisés dans des domaines où les systèmes mécaniques atteignent leurs limites : Domaine des hautes vitesses : la vitesse de rotation d'un roulement à billes est limitée sous peine de problèmes mécaniques et d'échauffements. L'absence de contact dans un palier magnétique permet d'atteindre des vitesses bien supérieures. La limite est définie par la rupture mécanique du rotor du fait de la force centrifuge engendrée par la rotation. Une suspension mécanique pose un problème d'équilibrage à haute vitesse. 7 Mécaniquement, il est impossible de faire coïncider exactement l'axe de rotation d’un palier avec l'axe d'inertie de la partie tournante. Il en résulte un balourd qui, même s'il est très faible, peut entraîner des vibrations importantes. L'utilisation de paliers magnétiques permet de s'affranchir de tels problèmes d'équilibrage car l'axe d'inertie peut s’aligner sur l'axe de rotation. Domaine des atmosphères spécifiques ou du vide : dans ce cas, il n'est absolument pas possible d'utiliser un gaz ou un lubrifiant pour permettre le fonctionnement d'un palier. Les roulements à billes lubrifiés ou les paliers hydrodynamiques sont donc prohibés. Domaine dans lequel les frottements doivent être minimisés : les frottements sont totalement inexistants sur une suspension entièrement magnétique car il n'y a aucun contact entre les pièces mobiles et uploads/Finance/ suspension-magnetique.pdf