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RÉSUMÉ
Les accouplements magnétiques sont généralement utilisés pour transmettre un mouvement de rotation entre deux arbres à travers une paroi étanche afin d’éviter tout contact avec le produit à traiter pour des raisons de sécurité ou d’hygiène. La transmission de couple s’effectue sans contact par l’interaction de champs magnétiques dans une zone de la paroi étanche, qui joue le rôle d’entrefer. Cet article présente les technologies d’accouplement magnétique les plus classiques, de type synchrone et asynchrone, ainsi que leurs principes de fonctionnement. Il traite de la modélisation électromagnétique de ces dispositifs afin de prévoir leurs performances en régime permanent.
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Thierry LUBIN : Agrégé de physique appliquée, Docteur en génie électrique de l’Université Nancy I - Maître de conférences à l’Université de Lorraine, Faculté des sciences et technologies de Nancy - Chercheur au GREEN (Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy)
INTRODUCTION
L a Transmission de couple sans contact fait l’objet de deux articles :
Bien que les sujets traités soient très proches, les deux articles peuvent se lire de manière indépendante. Le lecteur pourra se reporter utilement aux articles du traité de Mécanique relatifs aux accouplements d’arbre [B 5 800], aux accouplements élastiques [B 5 805], ainsi qu’aux réducteurs de vitesse à engrenage [B 5 640].
Les deux articles relatifs à la transmission de couple sans contact se limitent à la transmission de mouvement de rotation sans contact entre deux arbres alignés, avec ou sans réduction de vitesse. Il existe d’autres modes de transmission de mouvement sans contact, en particulier le mouvement linéaire, mais qui ne seront pas abordés dans le cadre de cet article.
Cet article traite des accouplements magnétiques. Un accouplement magnétique permet de transmettre un mouvement de rotation entre un système d’entraînement et une charge mécanique sans contact entre les deux arbres. Le couple est transmis par l’intermédiaire du champ magnétique dans l’entrefer, le plus souvent à l’aide d’aimants permanents. La transmission de mouvement peut être réalisée à travers une paroi étanche pour assurer une isolation hermétique entre deux milieux, par exemple un produit à traiter et le système d’entraînement. Comparée aux accouplements mécaniques, cette solution permet de réduire la maintenance car le système est sans contact et ne présente donc pas d’usure. Elle est tolérante aux désalignements d’axes et permet de limiter la transmission des vibrations.
Cet article aborde deux technologies d’accouplements magnétiques parmi les plus utilisées aux niveaux industriels et disponibles chez les fabricants. Ces deux technologies reposent sur des principes de fonctionnement différents : interaction entre aimants permanents pour les accouplements de type synchrone, interaction entre aimants et courants induits dans un matériau conducteur pour les accouplements de type asynchrone.
Une large part de cet article est consacrée à la modélisation électro-magnétique de ces dispositifs à l’aide d’outils analytiques. L’objectif est de pouvoir prédéterminer leurs performances en termes de couple maximal transmissible et de rendement pour effectuer un premier dimensionnement à partir de formules simples directement utilisables par l’ingénieur.
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MOTS-CLÉS
Aimants permanents accouplement magnétique modélisation électromagnétique performances en régime permanent
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2. Modélisation électromagnétique
L’objectif de cette partie est de fournir des outils analytiques pour le prédimensionnement électromagnétique des accouplements magnétiques synchrones et asynchrones. Il s’agit, pour un cahier des charges donné, d’être capable de définir rapidement les dimensions géométriques principales et faire un choix raisonné sur les matériaux à utiliser.
Pour un accouplement de type synchrone, ce cahier des charges pourra se limiter à la valeur du couple maximal transmissible C max à atteindre tout en respectant les objectifs fixés comme la masse de l’accouplement, les dimensions extérieures ou bien son prix de revient. Pour un accouplement de type asynchrone, il s’agira de définir la pente de la caractéristique couple-vitesse dans la zone à faible glissement (3) pour garantir un fonctionnement avec un rendement acceptable, des échauffements maîtrisés, et limiter la différence de vitesse entre l’arbre menant et l’arbre mené.
La modélisation analytique qui est développée dans la suite de cet article repose sur la résolution formelle des équations de Maxwell. Il s’agit de résoudre des équations aux dérivées partielles par la méthode de séparation des variables pour obtenir les équations du champ électromagnétique dans l’entrefer. Moyennant quelques hypothèses, cette méthode permet, pour chaque type d’accouplement, d’obtenir une formule du couple très utile à l’ingénieur pour effectuer un premier dimensionnement ou analyser rapidement l’impact des différents paramètres sur les performances.
Comme la modélisation analytique repose sur un certain nombre d’hypothèses (géométrie simplifiée, linéarité des matériaux…), elle devra être complétée par une modélisation plus fine du dispositif à l’aide d’outils logiciels...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - YONNET (J.P.) - Permanent magnet bearings and couplings. - IEEE Transactions on Magnetics, vol. 17, n° 1, p. 1169-1173 (1981).
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(3) - FONTCHASTAGNER (J.) - Résolution du problème inverse de conception d’actionneurs électromagnétiques par association de méthodes déterministes d’optimisation globale avec des modèles analytiques et numériques. - Thèse de Doctorat, Institut National Polytechnique de Toulouse (2007).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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FEMM : Finite Element Method Magnetics, version 4.2 (2016), par D.C. MEEKER, Logiciel libre http://www.femm.info/wiki/HomePage
COMSOL Multiphysics : COMSOL France SAS 10, avenue Doyen Louis Weil F-38000 Grenoble
MATLAB, MathWorks https://fr.mathworks.com
HAUT DE PAGE2 Fabricants – Distributeurs (Sites internet)
Dexter Magnetic Technologies https://www.dextermag.com/products/magnetic-assemblies/couplings/
DST Magnetic Couplings https://www.dst-magnetic-couplings.com/en/
Magnetic Technologies LTD https://www.magnetictech.com/
KTR Systems GmbH https://www.ktr.com/
TE2M http://www.te2m.fr/fr/systemes-magnetiques/mecanique-magnetique
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