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Article

1 - TECHNOLOGIE DES ACCOUPLEMENTS MAGNÉTIQUES

2 - MODÉLISATION ÉLECTROMAGNÉTIQUE

3 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D3565 v1

Technologie des accouplements magnétiques
Transmission de couple sans contact - Accouplements magnétiques

Auteur(s) : Thierry LUBIN

Date de publication : 10 nov. 2020

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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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ABSTRACT

Contactless Torque transmission. Magnetic couplings

Magnetic couplings are generally used to transfer a rotational movement between two shafts through a sealed wall in order to avoid any contact with the product to be treated for safety or for hygienic reasons. The torque transmission between the two shafts is carried out without contact by the interaction of magnetic fields in the area of the wall acting as the air-gap. This article presents the most classical magnetic coupling technologies, of synchronous and asynchronous type, as well as their operating principles. It deals with the electromagnetic modeling of these devices in order to predict the steady-state performances.

Auteur(s)

  • 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 :

  • [D 3 565] : Accouplements magnétiques

  • [D 3 566] : Réducteurs de vitesse magnétiques

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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KEYWORDS

permanent magnets   |   magnetic coupling   |   electromagnetic modeling   |   steady state performances

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3565


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1. Technologie des accouplements magnétiques

1.1 Domaines d’application

Un accouplement magnétique peut être utilisé chaque fois qu’il est nécessaire de séparer hermétiquement deux milieux, comme le traitement d’un produit et l’environnement extérieur où est placé le système d’entraînement. L’énergie mécanique du côté du produit à traiter correspondra à un arbre mécanique (l’article concerne les accouplements en rotation). Cette énergie mécanique provient d’un système d’entraînement. La séparation entre les deux arbres est réalisée à l’aide une paroi d’isolation placée dans l’entrefer. La paroi doit être composée d’un matériau amagnétique et de préférence non conducteur pour limiter les pertes par courants de Foucault : acier non magnétique de type INOX, fibre de verre, céramique, plastique. En fonction des applications, cette paroi étanche doit pouvoir résister à la corrosion, à la température, et/ou à la pression différentielle.

Cette solution de type magnétique est une alternative à l’utilisation de joints d’étanchéité tournants (joints à lèvres pour les plus classiques) qui sont plus fragiles, génèrent des pertes par frottement, et qui nécessitent des opérations de maintenance régulières pour éviter les fuites.

Les accouplements magnétiques sont généralement utilisés pour des applications industrielles où le contact direct avec le produit à traiter est interdit pour des questions de sécurité ou d’hygiène : réacteurs chimiques et nucléaires, fluides toxiques ou corrosifs, enceintes à hautes ou basses pressions, à hautes ou basses températures, mélange de produits alimentaires, entraînement d’une hélice à travers une paroi.

Il existe deux configurations géométriques simples permettant d’obtenir la séparation entre deux milieux : isolation à travers une paroi plane (figure 1 a) ou isolation à travers une paroi cylindrique (figure 1 b). Pour la configuration de la figure 1 a, la direction principale du champ magnétique dans l’entrefer est orientée axialement du fait de la distribution de l’aimantation caractérisée par les flèches....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WARING (R.), HALL (J.), PULLEN (K.), ETEMAD (M.R.) -   An investigation of face type magnetic couplers.  -  Proc. Inst. Mechanical Engineers, Part. A, vol. 210, n° 4, p. 263-272 (1996).

  • (2) - YONNET (J.P.) -   Permanent magnet bearings and couplings.  -  IEEE Transactions on Magnetics, vol. 17, n° 1, p. 1169-1173 (1981).

  • (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).

  • (4) - LUBIN (T.), MEZANI (S.), REZZOUG (A.) -   Simple analytical expressions for the force and torque of axial magnetic couplings.  -  IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 27, n° 2, p. 536-546 (2012).

  • (5) - DAVIES (E.J.) -   An experimental and theoretical study of eddy-current couplings and brakes.  -  ...

1 Outils logiciels

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

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2 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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