La présente invention a pour objet un palier magnétique actif à auto-détection de position comprenant des premier et second électro¬ aimants antagonistes disposés de part et d'autre d'un corps ferromagnétique suspendu sans contact entre ces électro-aimants, les premier et second électro-aimants orientés selon un axe X*X comprenant chacun d'une part un circuit magnétique définissant avec ledit corps un entrefer ej; e2 dont la valeur moyenne est égale à une valeur commune prédéterminée e ₀ , et d'autre part une bobine d'excitation alimentée à partir d'un amplificateur de puissance dont le courant d'entrée est asservi en fonction de la position du corps par rapport aux circuits magnétiques des premier et second électro¬ aimants.

Dans les systèmes de palier magnétique actif les plus couramment utilisés, la position du corps suspendu, lequel corps peut être par exemple un rotor de machine ou un disque, est contrôlée en permanence à l'aide de détecteurs de position associés aux électro-aimants des paliers activateurs produisant les forces nécessaires pour le maintien du corps suspendu dans une position de travail donnée.

Le fait d'utiliser des détecteurs de position distincts des électro- aimants de support du corps suspendu renchérit considérablement le coût des machines, du fait des détecteurs proprement dits, de la connectique associée et des circuits électroniques pour les alimenter.

De plus, ces détecteurs ne peuvent être situés qu'à côté du palier, et de ce fait ne sont pas colinéaires en tant que point de détection par rapport au point de réaction. Cette délocalisation des détecteurs par rapport aux organes actuateurs peut induire des effets pervers quant au contrôle du rotor, lorsqu'il s'agit de prendre en compte les déformations du rotor induites lors de la rotation. Les détecteurs peuvent en effet se trouver alors à des noeuds de déformation alors que les électro-aimants activateurs seront plus proches de ventres de déformation, ou vice-versa. L'information fournie par les détecteurs ne sera alors pas le reflet fidèle de la réalité au niveau des paliers proprement dits.

On connaît encore, par le document WO-A-93/23683 un système de palier magnétique à auto-détection comprenant, pour une direction donnée, des bobines connectées en série dans lesquelles circulent à la fois un

courant destiné à stabiliser la position du corps mobile suspendu par le palier et un courant de détection. Un tel système de palier magnétique nécessite toutefois une pré-aimantation statorique réalisée avec des aimants permanents ainsi que des amplificateurs capables de fournir chacun des courants pouvant être à tour de rôle positifs et négatifs selon la position du corps mobile. La mise en oeuvre de moyens de pré-aimantation et d'amplificateurs linéaires complexes du type quatre quadrants rend la réalisation complexe et affecte la fiabilité de l'ensemble.

La présente invention vise à remédier aux divers inconvénients précités et à permettre d'assurer un asservissement fiable des électro¬ aimants d'un palier magnétique actif en fournissant de façon peu coûteuse une information de position de l'organe suspendu sans faire appel à des détecteurs de position séparés, tels que des détecteurs de type inductif, capacitif ou optique. L'invention vise plus particulièrement à permettre d'effectuer, avec des paliers magnétiques actifs classiques utilisant, selon une direction donnée, uniquement deux électro-aimants en opposition produisant des forces d'attraction sur un corps mobile, une détection de position du type inductif sans qu'il soit nécessaire d'adjoindre au palier magnétique des bobines de détection distinctes des électro-aimants de palier eux-mêmes, ou des moyens de pré-aimantation.

L'invention vise à permettre la réalisation de paliers magnétiques actifs de relativement faible coût, en particulier pour des machines devant être produites en grande quantité, telles que par exemple des broches textiles, des broches d'usinage, des pompes à vide, des disques d'ordinateurs.

Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un palier magnétique actif à auto-détection de position comprenant des premier et second électro-aimants antagonistes disposés de part et d'autre d'un corps ferromagnétique suspendu sans contact entre ces électro-aimants, les premier et second électro-aimants orientés selon un axe X'X comprenant chacun d'une part un circuit magnétique définissant avec ledit corps un entrefer dont la valeur moyenne est égale à une valeur commune prédéterminée e ₀ , et d'autre part une bobine d'excitation alimentée à partir d'un amplificateur de puissance dont le courant d'entrée est asservi en fonction de la position du corps par rapport aux circuits magnétiques des

premier et second électro-aimants, caractérisé en ce que les amplificateurs de puissance sont constitués par des amplificateurs à commutation ; en ce que les bobines des premier et second électro-aimants constituent directement des détecteurs de position du type inductif ; en ce que des moyens sont prévus pour injecter simultanément à l'entrée des amplificateurs de puissance alimentant les bobines des premier et second électro-aimants antagonistes, en superposition au courant principal issu des circuits d'asservissement, un courant sinusoïdal _j sin wt d'amplitude constante , de pulsation w et présentant une phase identique, le rapport entre la tension de détection fournie par un amplificateur à la pulsation w et la tension destinée à fournir la force exercée par l'électro-aimant correspondant étant de l'ordre de 5 à 20 % et de préférence voisin de 10 %; et en ce qu'il comprend des circuits pour extraire l'information de position déterminant l'intensité du courant principal à appliquer par les circuits d'asservissement aux amplificateurs de puissance directement à partir des tensions uj, U2 aux bornes des bobines d'excitation, mesurées à la fréquence du courant sinusoïdal constituant une porteuse de pulsation w

Ainsi, conformément à l'invention, le palier magnétique, en plus de sa fonction palier proprement dite, est utilisé aussi comme détecteur de position du type inductif, sans qu'il soit nécessaire d'adjoindre aucune bobine supplémentaire, la tension étant mesurée aux bornes de chaque bobine d'électro-aimant du palier dans des conditions pour lesquelles il y a quasi proportionnalité avec le déplacement du corps suspendu (rotor).

Le fait que le courant sinusoïdal d'amplitude I ₀ constante et de pulsation fixe w soit injecté simultanément dans les deux électro-aimants antagonistes, avec une phase identique des deux côtés, évite de créer la moindre force de perturbation sur le rotor quand celui-ci est dans sa position nominale centrale, en particulier dans les cas où la fréquence du courant sinusoïdal constituant la porteuse devra être suffisamment basse pour limiter la consommation de tension fournie par l'amplificateur de puissance alimentant le palier.

Dans tous les cas, le palier magnétique actif est caractérisé en ce que la fréquence du courant sinusoïdal injecté de pulsation w est nettement supérieure à la bande passante désirée en boucle fermée des circuits d'asservissement.

La mise en oeuvre d'amplificateurs de puissance à commutation permet de limiter les pertes et d'alimenter les bobines de palier avec une puissance réactive très importante.

Avantageusement, les amplificateurs à commutation présentent une fréquence de commutation de l'ordre de plusieurs dizaines de kilohertz.

Selon une caractéristique importante de la présente invention, les tensions uj, U2 aux bornes des bobines d'excitation mesurées à la fréquence du courant sinusoïdal de pulsation w sont comparées en mesure différentielle dans un comparateur fournissant une tension u proportionnelle au déplacement du corps par rapport à sa position d'équilibre.

La mesure différentielle permet d'éliminer les deux termes constants de la forme U ₀ = L I ₀ W, dûs à l'inductance L _Q des bobines d'électro- aimants relative à l'entrefer moyen e ₀ , et les termes constants U _s I ₀ w dûs à l'inductance de fuite Lς des bobines d'électro-aimants relative aux fuites magnétiques.

De façon plus particulière, les circuits d'extraction de l'information de position comprennent un filtre passe-bande centré sur la fréquence du courant sinusoïdal de pulsation w et présentant une demi-largeur adaptée à la bande passante désirée des circuits d'asservissement. Les circuits d'extraction de l'information de position comprennent un démodulateur synchrone placé en sortie du filtre passe bande et piloté par la fréquence du courant sinusoïdal de pulsation w.

Les circuits d'extraction de l'information de position comprennent un filtre du deuxième ordre pour filtrer la fréquence correspondant à une pulsation 2w créée par la démodulation double alternance au sein du démodulateur synchrone.

Avantageusement, les fréquences de commutation des amplificateurs de puissance à commutation et la fréquence du courant sinusoïdal de pulsation w sont synchronisées. Ceci permet d'éviter les problèmes de bruit dûs aux battements de fréquences.

Les électro-aimants sont dimensionnés de telle façon que la force maximale demandée à ces électro-aimants est obtenue pour une induction magnétique située hors de la zone de saturation du matériau utilisé pour constituer les circuits magnétiques des électro-aimants.

Dès lors que le trajet dans les circuits magnétiques des électro¬ aimants de palier reste négligeable et reste quasiment constant quelle que soit la force demandée aux électro-aimants, la mesure de l'inductance des bobines des électro-aimants de palier peut bien rester inversement proportionnelle à l'entrefer.

Les circuits magnétiques des électro-aimants sont réalisés en un matériau à perméabilité peu variable en fonction de l'induction magnétique, en particulier dans la zone de fonctionnement des électro-aimants située loin des zones de saturation. Les circuits d'asservissement alimentant les amplificateurs de puissance comprennent un comparateur entre le signal de position issu des circuits d'extraction de l'information de position et une valeur de consigne de position, et au moins des circuits comprenant un réseau correcteur de traitement de signal et un linéarisateur du courant de repos. Les circuits d'asservissement peuvent en outre comprendre des boucles de régulation de flux interposées entre d'une part les circuits comprenant un réseau correcteur et un linéarisateur, et d'autre part des circuits additionneurs constituant lesdits moyens d'injection recevant ledit courant sinusoïdal I ₀ sin wt de pulsation w. Dans ce cas, à titre d'exemple, chaque boucle de régulation du flux comprend un filtre réjecteur centré sur une fréquence de pulsation w et recevant en entrée le signal de tension de sortie de l'amplificateur correspondant, un circuit de calcul de flux correspondant, un circuit de calcul de flux auquel sont appliqués d'une part le signal de sortie du filtre réjecteur correspondant et d'autre part le signal de sortie d'un régulateur de flux également appliqué sur une entrée du circuit additionneur correspondant et un circuit soustracteur qui soustrait au signal issu des circuits comprenant un réseau correcteur et un linéarisateur, le signal issu du circuit de calcul de flux correspondant et délivre un signal de sortie à l'entrée du circuit régulateur de flux correspondant.

Naturellement, l'invention couvre des paliers magnétiques actifs comprenant en particulier deux systèmes de palier magnétique actif du type défini ci-dessus orientés selon deux directions XX', YY' perpendiculaires entre elles.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est un schéma-bloc d'un système de palier magnétique actif selon l'invention incorporant un système de détection de position utilisant les électro-aimants de palier, et

- la figure 2 est une courbe montrant l'allure du signal de position délivré par le système de détection de position, en fonction des variations de l'entrefer des électro-aimants.

On voit sur la figure 1 un rotor 1 suspendu par deux électro-aimants de palier antagonistes orientés selon un axe XX' perpendiculaire à l'axe du rotor 1. Chaque électro-aimant comprend un circuit magnétique 12 resp. 22 en matériau ferromagnétique présentant en coupe la forme d'un U avec deux pièces polaires 121, 122 resp 221, 222 orientées vers le rotor 1, lui-même en matériau ferromagnétique ou revêtu d'une armature en matériau ferromagnétique. Les pièces polaires 121, 122 définissant chacune avec le rotor 1 un entrefer c\ = e ₀ +x où e ₀ représente l'entrefer moyen lorsque le rotor est dans sa position d'équilibre et x représente la variation de l'entrefer par rapport à la valeur moyenne e _Q , engendrée par un déplacement du rotor 1 dans la direction radiale X'X. Les pièces polaires 221 et 222 sont symétriques des pièces polaires 121, 122 par rapport à l'axe du rotor 1 lorsque le rotor 1 est dans sa position d'équilibre, de sorte que les pièces polaires 221, 222 définissent chacune avec le rotor 1 un entrefer e2 = e ₀ - x où e ₀ représente l'entrefer moyen lorsque le rotor 1 est dans sa position d'équilibre et x représente la variation de l'entrefer par rapport à la valeur moyenne e ₀ engendrée par un déplacement du rotor 1 dans la direction radiale X'X. Ainsi, une valeur de x positive signifiera un déplacement du rotor 1 vers le circuit magnétique 22 tandis qu'une valeur de x négative signifiera un déplacement du rotor 1 vers le circuit magnétique 12.

Chaque électro-aimant comprend par ailleurs une bobine d'excitation 11 resp 21 qui est alimentée à partir d'un amplificateur de puissance 13 resp 23, qui est de préférence un amplificateur à commutation en mode courant. Chaque amplificateur de puissance 13 resp 23 reçoit en entrée un courant principal d'entrée qui permet de fournir en sortie aux

bobines 11, 21 l'énergie nécessaire au maintien du rotor 1 dans sa position d'équilibre prédéterminée. Le courant principal d'entrée est issu de circuits d'asservissement ayant eux-mêmes reçu des informations sur la position réelle du rotor et prenant en compte une position de consigne. Chaque amplificateur 13 resp 23 délivre un courant unidirectionnel et indépendant du courant délivré par l'autre amplificateur 23 resp 13, les électro-aimants alimentés de façon indépendante par les amplificateurs 13, 23 étant montés en opposition et produisant des forces d'attraction sur le corps mobile 1 de part et d'autre de celui-ci selon l'axe X'X. Pour permettre d'obtenir une information de position sans utiliser de détecteur de position distinct des électro-aimants de palier, des circuits additionneurs 14, 24 permettent d'injecter simultanément à l'entrée des amplificateurs de puissance 13, 23, en superposition au courant principal issu des circuits d'asservissement, un courant sinusoïdal de la forme I _Q sin wt d'amplitude constante I ₀ , de pulsation w et présentant une phase identique.

En sortie des amplificateurs de puissance 13, 23, il est donc injecté, en superposition au courant destiné à fournir la force portante des électro¬ aimants, des courants ij, v de la forme : = i2 = Io sin wt. Les entrefers ej et e2 entre le rotor 1 et les pôles 121, 122 resp 221,

222 sont de la forme indiquée plus haut, à savoir : ei = e ₀ + x e ₂ = e ₀ - x

Les inductances des électro-aimants 11, 12 resp 21, 22 sont respectivement de la forme :

Li ≈ Ls + Lo/ Cl + x eo)

L ₂ = Lg + Lo/(l " x/e ₀ ) où L^ représente l'inductance de fuite des électro-aimants 11, 12 resp 21, 22 relative aux fuites magnétiques, et L _Q représente l'inductance des électro-aimants 11, 12 resp 21, 22 relative à l'entrefer moyen e ₀ .

Les tensions 41 et 42 aux bornes d'entrée des bobines 11 et 21, dues aux courants injectés \\ et i2, sont de la forme : uj = - w I _Q L COS wt U2 = - w I ₀ L2 cos wt

FEUILLE DE REMPLACEMENT {REGLE 26)

Lorsque l'on effectue dans un comparateur 41 la différence des tensions uj et U2, on obtient des expressions de la forme : u = uj - U2 = - j cos wt (Lj - L2)

= (wL _j cos wt).2 L _Q . (x/e ₀ )/ (1 - (x/e ₀ )2) = A.f (x/e ₀ ) où A = (wL _j cos wt) 2 L _Q = constante et f (x e ₀ ) = (x/eo)/ (l - (xyeo) ² )

On voit que la comparaison en mesure différentielle des tensions u\ et U2 permet d'éliminer les termes constants dûs à l'inductance L _Q relative à l'entrefer moyen e ₀ et à l'inductance de fuite Ls relative aux fuites magnétiques de sorte que la tension résultante est proportionnelle au déplacement x du rotor 1.

La tension u est filtrée dans un filtre passe-bande 42 centré sur une fréquence correspondant à la pulsation w, et présentant une demi-largeur adaptée à la bande passante désirée de l'asservissement du système à paliers magnétiques.

La tension u est ensuite démodulée dans un démodulateur 43 synchrone piloté par une fréquence correspondant à la pulsation w.

La sortie du démodulateur synchrone 43 fournit, après passage dans un filtre du deuxième ordre 44 assurant le filtrage de la fréquence créée par la démodulation double alternance, un signal représentatif de la position réelle du rotor selon l'axe X'X, au niveau des électro-aimants de palier.

Ce signal est de la forme : u (x) = k (x/e ₀ )/ (l - (x/e ₀ )2) La figure 2 montre la linéarité du signal de position u (x) obtenu, en fonction du rapport x/e ₀ entre le déplacement du rotor x et l'entrefer moyen e ₀ -

On constate que cette linéarité est très bonne pour la plage de travail habituelle du palier. On peut ainsi déduire un signal de position du rotor à partir de la mesure de l'inductance de deux électro-aimants antagonistes de palier, sans adjoindre de détecteur distinct des électro-aimants de palier et sans créer la moindre force de perturbation sur le rotor quand celui-ci est dans sa position nominale centrale, dès lors que le courant injecté de la forme I ₀ sin wt est injecté simultanément dans les deux électro-aimants antagonistes,

avec une phase identique des deux côtés, ce qui permet notamment une comparaison en mesure différentielle.

Les courants de repos variables injectés dans les amplificateurs représentent une faible valeur par rapport aux courants d'asservissement destinés à fournir la force exercée par les électro-aimants, et les pertes rotoriques correspondantes peuvent rester extrêmement faibles.

La fréquence du courant sinusoïdal injecté, correspondant à la pulsation w est nettement supérieure à la bande passante en boucle fermée du système, mais doit de préférence rester suffisamment basse pour limiter la consommation de tension fournie par les amplificateurs de puissance alimentant le palier.

Comme cela a déjà été indiqué plus haut, les amplificateurs 13, 23 sont constitués avantageusement par des amplificateurs à commutation, de type connu en soi, pour limiter les pertes. Ces amplificateurs à commutation peuvent présenter une fréquence de commutation qui peut être de l'ordre de par exemple 50 kHz ou même être supérieure à cette valeur et peut égaler ou dépasser 100 kHz. Toutefois, il est préférable de synchroniser les fréquences de commutation des amplificateurs 13, 23 et la fréquence de la porteuse injectée de pulsation w afin d'éviter les problèmes de bruit dûs aux battements de fréquence.

A titre d'exemple, la fréquence de commutation peut être de l'ordre de vingt fois la fréquence de détection correspondant à la pulsation w, et la fréquence de détection peut elle-même être de l'ordre de vingt fois la fréquence d'asservissement. D'une manière générale, le palier est dimensionné de telle sorte que la force maximale demandée au palier est obtenue pour une induction située hors de la zone de saturation du matériau utilisé pour le palier, et les circuits magnétiques 12, 22 du palier sont réalisés en matériau à perméabilité peu variable en fonction de l'induction magnétique, en particulier dans la zone de fonctionnement de l'électro-aimant, c'est-à-dire de sa zone de saturation.

On notera que le système de palier magnétique actif à auto¬ détection n'implique aucune pré-aimantation par aimants permanents, ce qui simplifie la réalisation et accroît la robustesse et la fiabilité.

Le signal de position issu du filtre 44 peut ensuite être utilisé dans des circuits d'asservissement de façon traditionnelle, comme si ce signal avait été obtenu par un détecteur indépendant, mais avec la garantie que l'information correspond exactement à la localisation des électro-aimants de palier.

Le signal de position peut ainsi être comparé dans un comparateur 31 avec une valeur de consigne de position et le signal issu du comparateur 31 est appliqué à de circuits 32 pouvant comprendre un réseau correcteur de traitement du signal, par exemple de type PID (proportionnel-Integral- Dérivé) et un linéarisateur de courant de repos. Le signal issu des circuits 32 peut ensuite être appliqué, avec des signes différents, sur une des entrées de chacun des circuits additionneurs 14, 24 placés à l'entrée des amplificateurs 13, 23.

Avantageusement, les circuits d'asservissement peuvent comprendre en outre des boucles de régulation de flux interposés entre d'une part les circuits 32 et d'autre part les circuits additionneurs 14, 24.

Chaque boucle de régulation de flux peut comprendre un filtre réjecteur 15; 25 centré sur une fréquence de pulsation w et recevant en entrée le signal de tension de sortie de l'amplificateur correspondant 13; 23, un circuit de calcul de flux 16; 26 auquel sont appliqués d'une part le signal de sortie du filtre réjecteur correspondant 15; 25 et d'autre part le signal de sortie d'un régulateur de flux 18; 28 également appliqué sur une entrée du circuit additionneur correspondant 14; 24 et un circuit soustracteur 17; 27 qui soustrait au signal issu des circuits 32, le signal issu du circuit de calcul de flux correspondant 16; 26 et délivre un signal de sortie à l'entrée du circuit régulateur de flux correspondant 18; 28.

L'utilisation d'une boucle de flux en exploitant les tensions de sortie des amplificateurs, c'est-à-dire le signal également utilisé pour la détection, assure un meilleur comportement dynamique, même avec une bande passante du système de détection de position réduite.

Naturellement, il est possible d'incorporer, par exemple dans un palier magnétique actif radial, deux systèmes de palier magnétique actif selon l'invention comportant chacun une paire d'électro-aimants antagonistes, les deux paires d'électro-aimants étant orientées selon deux directions XX', YY' perpendiculaires entre elles.

Le palier magnétique actif selon l'invention peut aussi être utilisé seul, par exemple en tant que palier axial coopérant avec les deux faces d'un disque. Dans ce cas, les électro-aimants subissent une rotation de 90* par rapport au cas de la figure 1, les pièces polaires 121, 122, 221, 222 devenant parallèles à l'axe du disque.