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DISPOSITIF DE CENTRAGE ET DE MAINTIEN D ORGANES TOURNANTS.
L'invention a pour objet des dispositifs de centrage et de maintien d9organes tournants qui ne donnent lieu pratiquement à aucun frottement et qui utilisent des forces magnétiques a électrostatiques ou ce deux forces à la fois. Ce dispositif est plus particulièrement pré- vu pour les instruments de mesure et les compteurs électriques dont les axes sont en général verticaux. L'invention s'applique également aux pa- liers des organes tournant à grande vitesse tels que les rotors des com- pas gyroscopiques, les compresseurs .de turbo-machines, les petites tur- binesles ultracentrifugeuses, etc...
Les paliers connus pour les instru- ments de mesure sont disposés aux deux extrémités des axes et constitués dans ce cas par des pointes., ou bien utilisent des dispositifs de crapau- dines ou de collets, auquel casa si l'on exige une grande sensibilité, pour de faibles forées agissant sur l'appareil, il faut utiliser par exem- ple des pierres semi-précieuses percées ou pleines pour en constituer les paliers Même avec les paliers de ce type les plus soigneusement exécu- tés, on ne peut éviter un certain frottement que la force agissant sur l'appareil doit vaincre et qui nuit à l'exactitude des indications de l'appareil.
En outre il se produits après une durée appréciable de fonc- tionnement, une certaine usure des paliers, ce qui augmente encore l'inexac- titude des indications.
Dans les autres pi-ces tournantes telles que des rotors de. compas gyroscopiques des compresseurs de turbo-machines, de petites tur- bines d'ultra-centrifugseuses, dont 19axe est en général horizontal, le problème consiste à accroître autant que possible la vitesse de rotation pour diminuer les dimensions de 1-'appareil. Mais, pour des raisons de ré- sistance des matériaux la vitesse maximum possible ne peutg dans de nom- breux cas, pas être obtenue pratiquement car les paliers ordinaires (paliers à billes ou à rouleaux) ne sont fréquemment plus suffisants pour résister aux efforts subisdéjà après un court service.
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On a déjà proposé d'utilisera dans les instruments de mesure., les forces attractives d'un aimant pour décharger les organes tournants des instruments de mesure à axe vertical, afin de diminuer dans une grande mesure le frottement sur les crapaudineso Dans ce buts dans les disposi- tifs connus, on dispose un aimant permanent à la partie supérieure de l'axe de rotation, cet aimant se logeant dans la partie centrale vide d'un aimant annulaire et étant maintenu par les forces d'attraction.
Ces aimants sont aimantés de façon que, lorsqu'ils sont encastrés l'un dans l'autre, les pôles de nom contraire se trouvent placés vis à visa Mais., ainsi qu'on le sait, un tel système est très instable car le moindre décalage de l'ai- mant fixé sur l'axe par rapport à l'aimant annulaire suffit à produire un accroissement violent et unilatéral des forces d'attraction magnétiques dans le sens de la plus faible distancée Pour maintenir dans sa position centrale l'aimant fixé à l'axe de rotation, on prévoit, par suite, dans les dispositions connuesun palier à pivot tourillonné.
Ce palier a, par contre, l'inconvénient de reléguer au second plan les avantages qui résul- tent de l'utilisation des paliers magnétiques dans les machines et les appareils à rotation très rapideo En effet, un arbre animé d'un très ra- pide mouvement de rotation présente toujours un léger balourd qui occa- sionne un frottement très appréciable sur les tourillonso Il est encore plus difficile d'appliquer les paliers magnétiques du type connu., utili sant les forces attractives d'un aimant, dans les machines ou les appareils à axes horizontaux.
Dans une disposition connue de paliers magnétiques pour ar- bres horizontaux, l'arbre est aimanté sur toute sa longueur et entouré à ses deux extrémités et en son milieu d'aimants annulaires dont l'aimanta- tion est telle que les pôles sud des extrémités de l'arbre sont attirés par le pôle inord de l'anneau aimanté transversalement et repoussés par le pôle sud de cet anneauo De même, le pâle nord qui se trouve au milieu de l'ar- bre est maintenu de manière correspondante dans un aimant annulaire magné- tique transversalement. Cette disposition fait donc appel à la fois à l'attraction et à la répulsion magnétiques mais les forces magnétiques qui agissent par attraction ne permet pas d'obtenir un état d'équilibre stable.
En outre, il est désavantageux d'être obligé de constituer sur toute sa longueur un arbre tournant rapidement par un aimant permanente
Tous ces inconvénients des paliers magnétiques connus sont supprimés par l'invention, grâce au fait que les aimants disposés tant sur les axes tournants quesur. le bâti de l'appareil sont aimantés de façon à se repousser les uns.les autreso Par suite l'arbre que l'on désire supporter est maintenu en équilibre exclusivement par des forces répulsives symétriques agissant dans le sens radiale de sorte que l'on obtient., dans le sens radial, un état d'équilibre stableo Pour obtenir ce résultat, la disposition suivant l'invention est telle que les pôles de même nom de l'axe et du bâti se trouvent toujours vis à vis.
Mais,9 si l'on introduit un aimant par exemple cylindrique dans le champ d'un aimant annulaire de façon que les pôles de même nom soient vis-à-vis, il se pro- duit d'une façon entièrement automatique et forcées par l'action de répul- sion des pôles ou des lignes de force qui sortent de ces pôles, une dispo- sition des aimants mobiles l'un par rapport à l'autre telle que leurs axes magnétiques coincident. Si ces axes magnétiques coïncident parfai- tement et si les pôles de même nom sont disposés de la même manière les uns par rapport aux autres (c'est-à-dire si les plages neutres des aimants se font vis-à-vis), seules peuvent agir des forces latérales,9 c'est-à-dire des forces perpendiculaires à l'axe magnétique.
Mais un léger décalage des deux plages neutres l'une par rapport à l'autre insuffisant pour in- fluencer l'ajustage automatique des aiments en ce qui concerne la coinci- dence des axes magnétiques, produit cependant déjà une composante des for- ces dirigées dans le sens de l'axe de rotation et qui a pour effet accès- soirée suivant le décalage des plages neutres, de compenser également en totalité ou en partie le poids de l'organe tournant qui s'exerce sur l'axe
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vertical.
De toute façon ce décalage de la plage neutre est minime et, sur les dessins, il a été figuré très exagérée
Un autre mode de réalisation avantageux de 1?invention est caractérisé par le fait que, sur l'axe de la partie tournante, on fixe, pour constituer le palier d'un arbre -verticale un aimant annulaire aiman-
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té axialement qui est entouré d-9un aimant irulaire9 aimanté également axîalementg concentrique au premier,, et lié au bâti de 1,9appareil.
L-uti- lisation de deux systèmes d 9 aimants annulaires disposés'vis-a-vis l'un de 19 autre permet la mise en oeuvre d'une façon particulièrement avantageuse
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du dispositif de paliers magnétiques suivant Pinventiono En effet, dans ce cas les poids propres des organes tournants qui e ee eat en direction . verticale et les forces latérales qui a9ee eaat sur ces organes peuvent être compensées d'une manière presque parfaite de sorte que, en pratique9 tout dispositif mécanique de palier peut être supprimée il suffit de pré- voir des dispositifs de maintien spéciaux pour le réglage et la fixation de l'axe.
En particulier, le dispositif magnétique qui fait l'objet de 1?invention peut être construit de façon que les aimants annulaires calés sur l'axe tournant et aimantés axialement, d'une part, et les¯aimants annu- laires fixés au carter ou au bâti de 1-'appareil et aimantés également axialement d'autre parts aimants qui se repoussent.9 soient placée concen- triquement les uns dans les autre Dans ce mode de réalisations les forces latérales sont compensées de sorte que l'axe est maintenu sans frottement en position centrales tandis que des crapaudines sont prévues pour absor- ber les forces verticales de pesanteur.
Sous une forme encore plus perfectionnée de l'invention, les pièces tournantes sont supportées et centrées en disposante en plus
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des couples d'aimants annulaires aimantés axialement9 un aimant annulaire en forme de disque fixé au bâti et un aimant annulaire en forme de disque fixé à 1?axe, aimantés radialement de façon que ces aimants se repoussent.
En utilisant ainsi trois systèmes d'aimants dont deux sont constitués par des aimants à aimantation axiale et un par des aimants à aimantation radia- le,\) on obtient en même temps un centrage pratiquement sans frottement aux extrémités d'un axe de rotation vertical et une compensation presque com- plète du poids des organes tournants Il suffit alors d'un support desti-
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né à limiter le mouvement en direction verticale9 constitué par exemple par une plaquette sous l'extrémité de 1-'axe et qui, si le système des aimants est bien ajusté,, n'a à supporter que des efforts minimes.
En vue de Inapplication du dispositif à des arbres à rota-
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tison rapide et en général horîzontauxp pour des machines ou des appareils divers, application qui comporte des exigences sévères relativement à la charge spécifique des paliers, l'invention prévoit de combiner plus de deux aimants permanents annulaires aimantés axialement et concentriques l'un à l'autre et de les réunir avec une distance convenable entre eux,, en un système tel que les pèles de semé nom se fassent toujours vis à vis.
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De toute f'açon9 cet ensemble de paliers magnétiqu(psq permet un certain jeu de l'arbre de la machine, de sorte que cette disposition suivant l'in- vention est surtout intéressante pour les machines et appareils dans les- quels un certain jeu est toléré entre le rotor et le bâti. L'abaissement de la partie tournante par rapport à la,partie fixed dû au poids de la
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partie tournante et qui est conditionné pa leélasticité des paliers magné- tiques peut être compensé facilement par un décalage vertical correspon- dant de la partie fixe du palier. En outres,
on peut utiliser dans ce cas
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et dans ce but des paliers normaux convenabless en plus des paliers magné- tiques ces paliers normaux ayant précisément pour but de limiter ce jeu à une valeur admissible
L'utilisation de plus de deux aimants permanents annulaires aimantés axialement, pour en constituer un système d'anneaux concentriques
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logés l'un dans l'autres permet d'ûtilixer le dispositif suivant i'invention
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même pour des pièces portant des poids appréciables,, car les forces de répulsion magnétique s'ajoutent.
Par suite, dans ce mode'de réalisations le dispositif de paliers magnétiques suivant l'invention peut également être utilisé pour des machines à vitesse de rotation normale telle que les pompes à acide quig le cas échéante sont actionnées également par un ac- couplement magnétique et quia par suite., ne nécessitent aucune surveil- lancée Il suffit, dans ce cas, que les aimants soient recouverts d'un revêtement résistant aux acides.
On peut encore accroître la force portante des paliers magné- tiques suivant l'invention en utilisant un système doubleo Dans ce cas, soit les parties fixes soit les parties tournantes du système constituent un ensemble unitaireo Plusieurs systèmes doubles de ce genre constitués chacun par deux systèmes peuvent être disposés à volonté sur l'arbre pour accroître encore davantage la force portante.
Dans une autre réalisation de l'invention, pour permettre des vitesses de rotation excessivement élevées avec de faibles diamètres$! le palier magnétique est organisé de telle façon que des aimants permanents, aimantés axialement.\) soient placés côte à côte aussi bien sur l'axe de rotation que dans le coussinet, à une certaine distance les uns des autres, et vis à vis les uns des autres.
Dans ce cas l'axe et le bâti peuvent avoir des diamètres différents sur la longueur de l'axe en formant des gradins., en correspondance avec la charge de l'axeo
Dans ce mode de réalisation également., plusieurs systèmes d'aimants annulaires,,peuvent être disposés cote à côte sur chacune des parties en gradins
Au lieu de forces magnétiques on peut, suivant l'inventions utiliser égalementavec les mêmes avantagesdes forces électrostatiques.
Dans ce cas les forces répulsives sont produites par dès électrodes à l'ai- de de plaques ou de bagues chargées d'électricité de même signe.
Si l'on désire obtenir un nombre de tours très élevé, il est en outre avantageux, suivant l'inventions d'enrober les aimants d'une ma- tière non magnétique de rigidité très élevée telle que du bronze au gluci- nium en vue d'absorber la force centrifugeo Les-paliers qui font l'objet de l'invention peuvent être groupés et réunis sous forme de coussinets mo- nobloc, comme on le fait pour les roulements à billes.
Sur les dessins on a représenté schématiquement à titre d'exemples,divers modes de réalisation des paliers magnétiques suivant 1-'invention-.
La figure 1 montre en coupe longitudinale un axe de compteur comportant deux paires d'aimants annulaires aimantés axialement, disposés concentriquement 1-'un dans l'autre.
La figure 2 est un axe de compteur dont le centrage est as- suré par deux paires d'aimants annulaires aimantés axialement et disposés aux extrémités de l'axe et dont le poids est compensé par une paire d'ai- mants annulaires aimantés radialemento la figure 3 montre un palier unique dans lequel un des élé- ments est fixé à l'arbre et l'autre est fixé au bâti.
La figure 4 montre un palier double construit sur le même principe que celui de la figure 3.
La figure 5 montre le montage des paliers magnétiques côte à côte sur un arbre en gradins.
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Sur la figure 1 on voit en 3 des aimants annulaires aiman- tés axialement, montés sur l'axe 2 du disque 1 du compteur. Ces aimants sont entourés d'aimants annulaires 4, concentriques$1 aimantés également axialement, les deux aimants laissant entre eux un entrefer annulaire tra- versé par un qhamp uniformeo En raison de 1-'élasticité de la suspension de l'axe 2 due aux forces magnétiques, on dispose à 1?extrémité supérieu- re de l'axe une crapaudine 5 destinée à éviter que l'axe 2 et'les aimants 3 ne sortent du champ magnétique 0 lA. l'extrémité inférieure de l'axe 2,
se trouve une seconde crapaudine 6 destinée à empêcher son déplacement ver- ticalo En déplaçant légèrement les deux crapaudines dans le sens axiale on peut régler la, position de l'axe 2 et des aimants annulaires 3 calés sur cet axede façon que les plages neutres des deux paires d'aimants an- nulaires.. coïncident Dans le même bute les aimants annulaires-'fixés au bâti de l'appareil peuvent également être légèrement déplacéso
Dans un mode de réalisation représenté figure 2 on dispose aux deux extrémités de l'axe 7 du compteur des aimants annulaires 89 9 et 10, 11, aimantés axialement, qui se repoussent réciproquement et qui as- surent le centrage de l'axe.
Mais en outre l'axe 7 porte un aimant annu- laire 12 maintenu par une pièce intermédiaire 13 non magnétique et au-des- sus duquel est placé un autre aimant annulaire 14 fixé au bâtie 'Ce,% deux derniers aimants,, aimantés radialement,, se repoussent l'un l'autre -et permettent la compensation presque totale des forces verticales exercées principalement par le poids des pièces tournantes.
A l'extrémité supérieu- re de l'axe on a disposé, ici encore, une crapaudine 15 et à son extrémité inférieure une plaque d'appui 160 '
Dans tous les cas, on peut disposer au voisinage des deux extrémités des arbres ou axes tournants des supports 17 percés d'un orifi- ce circulaire de diamètre relativement grand qui ne vient pas en contact avec l'axe ou avec l'arbre en fonctionnement normale et qui constitue un organe de sécurité en cas de grosse déviation latéraleo
Dans la figure 39 l'élément 19 fixé dans le bâti 18 est con- stitué par quatre aimants permanents 20--à 22 annulaires placés l'un à l'in- térieur de l'autre concentriquemnt et avec un certain intervalle.
Ces ai- mants sont tous aimantés dans le sens de l'axe de l'arbre. Dans les inter- valles entre les aimants peuvent tourner d'autres aimants annulaires 24, 25 constitués de la même façon.\) concentriqueset calés sur le support 23 fixé 'sur l'arbre tournant. Ces aimants sont également aimantés dans le sens de l'axe de 1?arbre, de sorte que des forces de répulsion agissent entre les aimants 20, 21, 22 d'une part et les aimants 24, 25 diantre parte Dans le mode de réalisation de la figure 4, les supports voisins des ai- mants annulaires sont réunis de façon à former un seul support 34 sur le- quel sont disposés.9 des deux côtés, les aimants annulaires 27, 28, 29 avec un intervalle convenable.
Dans les intervalles entre ces aimants, se pla- cent les aimants 31, 32, 33 concentriques fixés sur les parties fixes 30 de l'appareil. Le support 34 est calé sur l'arbre et tourne avec lui tan- dis que les parties 30 sont fixées dans le bâti et restent immobileso Au lieu que les aimants annulaires soient disposés concentriquement les uns par rapport aux autres,, ce qui a pour conséquence un accroissement corres- pondant du diamètre, on peut aussi placer les aimants annulaires cote à cote sur l'arbre 'et dans le bâtie comme on le voit sur la figure 5.
Dans ce cas on voit en 35936, 37 les aimants annulaires qui sont placés cote à cote sur 1-'arbre à gradins 89. D'autres aimants annulaires 39, 40, 41 sont disposés concentriquement à ces derniers, avec un intervalle conve- nable, et logés dans la partie 42 du bâti qui porte des gradins correspon- dantso
Il est essentiel, lorsque lon utilise des aimants permanents, de prendre en considération ce qui suit,.
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L'expérience montre que presque toutes les substances magné- tiques présentent de faibles irrégularités dans leur champ magnétique pour les raisons les plus diverses (inégalité d'aimantations défaut d'ho- mogénéité dans la matière, etc...). Ces irrégularités peuvent., même si elles sont faibles; conduire à des pertes résultant des courants de Fou- cault, surtout si les arbres tournent très rapidement. Il est donc bon de n'utiliser pour les aimants permanents que des matières constituées par des substances susceptibles de prendre une aimantation permanente fragmentées et agglomérées par des liants isolants.
A cet effets on uti- lisera de préférence des substances susceptibes de recevoir une aiman- tation permanente., douées d'une faible perméabilités et possédant néan- moins une force coercitive .supérieure à 300 oerstedsa Ce choix est jus- tifié par le fait que les pertes magnétiques diminuent avec l'accroisse- ment de la force coercitive.!' la perméabilité étant faible.