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Procédé de stabili:sation d'un objet en sustentation magnétique
La présente invention se rapporte à un procédé pour stabiliser un
objet en sustentation magnétique, ainsi qu'à un dispositif à sustentation
magnétique.
Les champs magnétiques peuvent être utilisés pour générer des
forces dans divers actionneurs dont ils permettent un mouvement sans
frottement et un fonctionnement sans bruit. Un tel moyen d'actionnement est
utilisé lorsque les systèmes mécaniques classiques atteignent leurs limites et
ne sont plus adaptés. Il s'agit plus particulièrement d'applications qui
nécessitent de très hautes vitesses de rotation et pour lesquelles il est
notamment nécessaire de minimiser les pertes par frottements, et/ou éviter
l'usure, et/ou pour lesquelles il est impossible d'employer des lubrifiants.
Des exemples d'applications pour lesquels ces avantages sont tout
particulièrement recherchés sont, entre autres, les volants d'inertie qui
constituent des dispositifs permettant de stocker de l'énergie sous forme
d'énergie cinétique dans une roue tournant à plusieurs milliers de tours par
minute, et les trains à sustentation magnétique pour lesquels seuls les
frottements de l'air subsistent et qui peuvent atteindre des vitesses très
supérieures à 400 km/h.
La plupart des actionneurs magnétiques actuellement disponibles
n'utilisent la sustentation magnétique que suivant un degré de liberté. C'est
le
cas d'un moteur électrique dans lequel seules les forces magnétiques
permettant l'entraînement du rotor sont utilisées.
Dans le cas de la plupart de ces applications, il est particulièrement
souhaitable de réduire au maximum les frottements existant de manière à
diminuer les pertes d'énergie et la pollution sonore qu'ils engendrent, et il
s'avère généralement nécessaire pour cela de devoir contrôler
magnétiquement un objet selon plusieurs degrés de liberté.
Or, lorsque l'on cherche à maintenir un objet en sustentation totale
par l'utilisation de champs magnétiques, c'est-à-dire présentant les six
degrés
de liberté dans l'espace, sa stabilisation se révèle particulièrement
difficile. En
1839, le scientifique S. Earnshaw a démontré qu'il était impossible de
stabiliser
une particule magnétiquement polarisée dans un champ statique. De ce fait, il
est impossible de stabiliser un corps ferromagnétique en sustentation
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magnétique à l'aide d'aimants permanents ou d'éléments ferromagnétiques.
Plusieurs solutions permettant de contourner la loi d'Earnshaw ont toutefois
été
imaginées et sont actuellement utilisées pour stabiliser des objets en
sustentation magnétique.
Une première solution consiste à utiliser un matériau
diamagnétique. Un tel matériau, contrairement à un matériau ferromagnétique
qui possède une aimantation permanente, développe un champ magnétique en
réaction à un champ magnétique extérieur auquel il est soumis. Ce champ
magnétique induit tend à s'opposer au champ magnétique extérieur en lui
restant toujours anti-parallèle et, par conséquent, s'oppose en permanence aux
variations de champs causées par l'objet en sustentation quand celui-ci
s'écarte de sa position d'équilibre. Il existe donc une force de rappel qui
maintient l'objet stable. C'est le cas de la sustentation magnétique à l'aide
de
supraconducteurs. Cette solution est toutefois difficile à mettre en oruvre
car
ces matériaux doivent généralement être refroidis à très basse température
dans de l'azote liquide pour pouvoir atteindre l'état de supraconductivité.
Par
conséquent, cette méthode, bien que satisfaisante d'un point de vue théorique,
demeure particulièrement délicate à mettre en pratique et nécessite des
moyens cryogéniques très consommateurs en énergie.
Une deuxième solution consiste à utiliser des électroaimants. En
effet, de la même manière qu'un matériau diamagnétique développe en
permanence un champ magnétique opposé au champ magnétique extérieur
auquel il est soumis, il est possible de modifier le champ développé par un
électroaimant de manière à ce qu'il s'oppose à un écart de l'objet en
sustentation par rapport à la position d'équilibre souhaitée. La loi
d'Earnshaw
n'est donc pas violée, la sustentation magnétique restant impossible si les
électroaimants sont parcourus par des courants électriques constants et
développent donc des champs magnétiques stables, mais contournée en
ajustant les champs magnétiques développés par les électroaimants qui sont
donc variables ainsi que les directions résultantes de ces champs.
Une troisième solution consiste à utiliser des champs alternatifs
générés par des bobines. Les variations de champs génèrent des courants
induits, appelés courants de Foucault, dans un objet conducteur, ceux-ci
créant
alors une force de répulsion qui peut être suffisante pour le soulever.
Ces deuxième et troisième solutions présentent toutefois des
inconvénients majeurs en raison de la puissance électrique nécessaire pour
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générer des champs magnétiques suffisamment intenses à l'aide
d'électroaimants et de bobines. Par ailleurs, la nécessité de contrôler en
permanence le champ magnétique développé par les électroaimants exige la
mise en place d'un système de commande complexe, également
consommateur de courant électrique, qui doit posséder un temps de réponse
extrêmement court. Cette contrainte est difficile à atteindre en raison de
fonctions de transferts d'un tel système généralement non linéaires. Un tel
mode de sustentation est dit actif, par opposition à une sustentation
utilisant
des aimants permanents, qui ne consomment pas d'énergie supplémentaire, et
qui est donc appelée sustentation passive.
Il convient de mentionner une quatrième solution qui permet de
maintenir un objet possédant une aimantation permanente en sustentation
dans un champ également permanent. Cet objet est commercialisé sous la
marque LEVITRON et se présente sous la forme d'une toupie apte à se
maintenir en sustentation dans un champ magnétique stable lorsqu'elle est
mise en rotation. Contrairement aux apparences, cet objet ne viole pas la loi
d'Earnshaw. En effet, l'instabilité inhérente à tout système en sustentation
dans
un champ stable est toujours présente, celle-ci étant toutefois compensée par
un effet gyroscopique stabilisateur provenant de la rotation de la toupie.
L'équilibre ainsi obtenu est cependant relativement instable et les conditions
de
stabilité sont particulièrement strictes. Ainsi, la masse de la toupie doit
être très
précisément ajustée, de même que sa vitesse de rotation et la direction du
champ magnétique par rapport à la direction de la gravité.
Pour pallier plusieurs de ces inconvénients, il a été développé une
cinquième solution reposant sur un système mixte utilisant à la fois des
aimants permanents et des électroaimants, et qui permet ainsi de réduire
légèrement la consommation électrique du système. Une telle sustentation est
dite partiellement passive. Ainsi, on connaît une sustentation partiellement
passive comprenant un rotor cylindrique en sustentation entre deux aimants
permanents aux terres rares développant un champ de 1,1 teslas et assurant
uniquement une stabilité radiale. En l'absence de stabilisation
complémentaire,
le système présente donc une forte instabilité axiale. Pour ce faire, chaque
aimant permanent est associé à un électroaimant asservi afin d'assurer la
stabilisation axiale du rotor autour d'une position d'équilibre moyen.
L'utilisation
d'aimants permanents permet, d'une part, d'avoir une fonction de transfert du
système linéaire, et d'autre part, d'assurer un centrage par réluctance même
si
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les électroaimants ne sont pas alimentés, ces derniers n'étant utilisés que
pour
renforcer ou diminuer le champ permanent appliqué, et déplacer ainsi
l'équilibre des forces s'appliquant sur le rotor. La consommation électrique
d'un
tel système reste toutefois relativement élevée et nécessite toujours la mise
en
place d'un capteur associé à un système d'asservissement complexe et rapide.
En raison de ces contraintes techniques et économiques, cette
technologie n'est utilisée que dans le cadre d'applications très spécifiques
pour
lequel le coût énergique n'entre presque pas en considération.
Une des principales applications actuelles de la sustentation
magnétique sont les paliers magnétiques, notamment pour volants d'inertie et
autres dispositifs en rotation. Les volants d'inertie sont utilisés pour
stocker de
l'énergie sous forme cinétique dans un volant en rotation dont l'axe est
maintenu par des paliers magnétiques, afin de la restituer ensuite en cas de
coupure de courant ou d'alimentation irrégulière. Lorsque la production
électrique d'une éolienne, par exemple, est suffisante pour alimenter un
système électrique, une partie de ce courant est utilisée pour entraîner le
volant d'inertie au moyen d'un moteur-générateur et maintenir sa vitesse à
plusieurs milliers de tours par minute. En cas de baisse de la production
d'électricité par l'éolienne, la vitesse du volant d'inertie est transformée,
grâce
au même moteur-générateur fonctionnant alors en mode générateur, en
électricité. Ceci permet d'assurer une alimentation électrique constante en
attendant une rehausse de la production d'électricité. Afin d'optimiser le
stockage de l'énergie, d'en minimiser les pertes par frottements, et de la
restituer avec un rendement maximum sur la plus longue plage de temps
possible, la sustentation du volant doit être très précisément contrôlée et
doit
consommer le moins de courant électrique possible pour contrôler cette
sustentation. Comme expliqué précédemment, la plupart des solutions
actuelles ne permettent pas d'atteindre ces objectifs, une sustentation à
l'aide
d'aimants permanents, ne consommant donc pas d'énergie électrique, est
impossible du fait de la loi d'Earnshaw, tandis qu'une sustentation active
nécessite notamment une énergie électrique trop importante. Ce problème peut
également être appliqué aux trains à sustentation magnétique, pour lesquels le
coût de fonctionnement, en plus d'un coût d'installation déjà élevé, est
excessif
par rapport à la rentabilité attendue, que la sustentation soit assurée à
l'aide de
bobines requerrant une alimentation électrique très importarite, ou qu'elle
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utilise des supraconducteurs devant généralement être maintenus dans un
bain d'azote liquide.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients
précédemment évoqués, et consiste pour cela en un procédé de stabilisation
5 d'un objet en sustentation magnétique soumis à au moins un champ
magnétique constant, ledit objet étant stable selon au moins une direction ét
instable selon au moins une autre direction, caractérisé en ce qu'il comprend
une étape de stabilisation, répétée aussi souvent que nécessaire, consistant à
appliquer un courant électrique à travers au moins un élément conducteur
soumis à un champ magnétique secondaire de manière à générer une force de
Laplace compensatrice dans la direction d'instabilité.
Ainsi, grâce à l'application d'une force de Laplace compensatrice, il
est possible de compenser facilement les instabilités magnétiques inhérentes
au système tout en minimisant sa consommation électrique.
En effet, un objet dans un champ magnétique stable possède une
énergie potentielle de type harmonique, dont le Laplacien, somme des dérivées
partielles secondes par rapport -aux coordonnées spatiaies, est nul. De ce
fait,
les dérivées partielles secondes de l'énergie potentielle par rapport à
chacune
des coordonnées spatiales ne peuvent toutes être négatives, comme le
voudrait un équilibre parfaitement stable. Par conséquent, il existe toujours
au
moins une coordonnée par rapport à laquelle la dérivée partielle seconde est
positive, donc pour laquelle il n'y a pas de position d'équilibre stable. Il a
été
constaté de manière surprenante que l'application d'une force de Laplace, dont
le potentiel est quadratique, dans la direction de l'instabilité permet de
conférer
au système une énergie potentielle pour laquelle il existe des points de
stabilité. De ce fait, il n'est plus nécessaire de recourir à des
électroaimants
puissants pour stabiliser un tel système et la consommation électrique globale
s'en trouve considérablement réduite.
Le champ magnétique permettant la mise en sustentation de l'objet
pourra être généré par une ou plusieurs sources de champ magnétique selon
la géométrie de l'objet. En effet, l'utilisation d'au moins deux sources
magnétiques pour créer un champ magnétique selon la direction souhaitée
peut s'avérer nécessaire afin de renforcer la stabilité de l'objet.
Avantageusement, l'étape de stabilisation vise à maintenir l'objet
entre une borne supérieure et une borne inférieure autour d'une position
d'équilibre moyen souhaité. En effet, selon le degré de stabilité souhaité il
sera
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nécessaire d'exercer une force de Laplace plus ou moins importante. Plus
l'équilibre doit être maintenu de manière très précise, plus il est nécessaire
de
compenser les instabilités du système en appliquant des forces
compensatrices plus importantes. De manière avantageuse, on pourra prendre
une force de Laplace assurant environ 10% de la portance totale nécessaire à
la mise en sustentation de l'objet, les 90% restant étant assurés par les
aimants permanents.
Avantageusement encore, le procédé selon l'invention comprend
une étape de détection de la position de l'objet apte à commander et/ou
interrompre le passage du courant électrique à travers l'élément conducteur.
Ainsi, le courant électrique n'est appliqué que lorsque cela est nécessaire
pour
ramener l'objet vers sa position d'équilibre moyen, ce qui diminue encore la
consommation. En acceptant une légère oscillation autour d'un point
d'équilibre
moyen souhaité, il est possible de réduire encore la consommation électrique
du système.
La présente invention se rapporte également à un dispositif à
sustentation magnétique comprenant un objet en sustentation soumis à au
moins un champ magnétique constant en interaction avec des moyens
d'aimantation correspondants de l'objet lévité, caractérisé en ce qu'il
comprend, d'une part, des éléments magnétiques secondaires aptes à générer
un champ magnétique secondaire, et d'autre part, au moins un élément
conducteur soumis au champ magnétique secondaire, de façon à ce qu'une
force de Laplace compensatrice soit générée sur l'objet lévité, lorsque
l'élément conducteur est traversé par un courant électrique.
II convient de noter que par moyens d'aimantation correspondants,
on entend tout matériau sensible à un champ magnétique environnant. De tels
matériaux sont bien sûrs les aimants, réagissant à un autre aimant, mais
également les matériaux ferromagnétiques, non aimantés en soi mais
s'orientant magnétiquement lorsque placés dans un champ magnétique.
Il doit être bien compris que le champ magnétique constant est
généré par au moins une source de champ, la source de champ magnétique et
les moyens d'aimantation correspondants pouvant être intervertis de manière
telle que la source de champ est située sur l'objet et interagit avec un moyen
d'aimantation correspondant externe.
De manière préférentielle, le champ magnétique développe, avec
les moyens d'aimantation correspondants, une force d'attraction s'exerçant sur
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l'objet lévité Il est également possible que le champ magnétique développe,
avec les moyens d'aimantation correspondants, des forces d'attraction et des
forces de répulsion s'exerçant sur l'objet lévité.
Selon une variante de réalisation, le champ magnétique est généré
par au moins deux sources de champ magnétique, les sources de champ
magnétique et les moyens d'aimantation correspondants de l'objet lévité
possédant une orientation magnétique parallèle et de même sens. Il s'agira,
par exemple, dans le cas d'un système à symétrie de révolution de disposer
deux bagues d'aimant permanent concentriques en interaction, l'une des
bagues étant solidaire d'un stator, tandis que l'autre bague est solidaire de
l'objet lévité, par exemple d'un rotor.
Préférentiellement, l'élément conducteur est une bobine. De
manière générale, un élément conducteur en argent sera préféré, ce métal
étant un des meilleurs conducteurs actuellement connus. Il pourra également
être envisagé d'utiliser des nanotubes de carbone. Bien évidemment l'intensité
de la force de Laplace développé pourra varier en fonction d'un rapport de
forme de la bobine, ce rapport de forme étant de préférence défini de manière
à rendre la force de Laplace maximum dans la direction contribuant à la
stabilité pour un courant électrique minimum dans la bobine.
Avantageusement, la bobine est large et de faible épaisseur.
Préférentiellement encore, les sources de champ magnétique et/ou
les moyens d'aimantation complémentaire et/ou les éléments magnétiques
secondaires sont des aimants permanents. Avantageusement, les aimants
permanents sont des aimants à base de néodyme fer bore. Avantageusement
encore, les aimants sont disposés selon une configuration dite de Halbach, de
manière à obtenir à la fois un champ principal maximum et des champs
parasites minimums.
Selon une variante de réalisation, les éléments magnétiques
secondaires interagissent avec au moins un matériau ferromagnétique
conformé de façon à permettre la réorientation du champ magnétique
secondaire.
De manière préférentielle, le dispositif comprend au moins un
capteur apte à commander ou interrompre le passage du courant à travers
l'élément conducteur en fonction de la position de l'objet lévité. Ainsi, il
n'est
pas nécessaire d'alimenter l'élément conducteur en permanence, ce qui
permet de réduire encore la consommation électrique du système. Le courant
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dans l'élément conducteur peut être également commandé par un circuit
d'asservissement de type tout-ou-rien, proportionnel, intégral ou dérivé, ou
toute combinaison de ceux-ci en fonction de la position de l'objet lévité.
Avantageusement, le capteur comprend une pointe solidaire de
l'objet lévité et apte à venir au contact d'un interrupteur pour le fermer.
La mise en oruvre de l'invention sera mieux comprise à l'aide de la
description détaillée qui est exposée ci-dessous en regard du dessin annexé
dans lequel :
La figure 1 est une représentation schématique en coupe
longitudinale d'un premier mode de réalisation d'un volant d'inertie stabilisé
axialement selon le procédé de l'invention.
La figure 2 est une représentation schématique en coupe
longitudinale d'un deuxième mode de réalisation d'un volant d'inertie
stabilisé
radialement selon le procédé de l'invention.
La figure 3 est une représentation schématique en coupe
longitudinale d'un troisième mode de réalisation d'un volant d'inertie
stabilisé
axialement selon le procédé de l'invention.
La figure 4 est une représentation schématique en coupe
longitudinale d'un quatrième mode de réalisation d'un volant d'inertie
stabilisé
selon l'invention, et utilisant du fer doux pour réorienter les champs
magnétiques.
La figure 5 est une vue du dessus en coupe du volant d'inertie de la
figure 4.
Les figures 6 et 7 montrent deux variantes de réorientation de
champ magnétique à l'aide de fer doux.
La figure 8 est une représentation schématique d'un premier mode
de réalisation d'un détecteur d'instabilité.
La figure 9 est une représentation schématique d'un deuxième
mode de réalisation d'un détecteur d'instabilité.
La figure 10 est une vue du dessus du capteur de la figure 9.
La figure 11 est une représentation schématique d'une variante
d'application du procédé de stabilisation selon l'invention à un train à
sustentation magnétique.
Un volant d'inertie 1, tel que représenté à la figure 1, comprend un
volant 2 cylindrique en sustentation magnétique entre une source magnétique
inférieure 3 et une source magnétique supérieure 4. Chaque source
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magnétique 3, 4 comporte respectivement un aimant circulaire 5, 6 faisant face
à un aimant 7, 8 circulaire correspondant du volant 2.
Par ailleurs, le volant 2 présente une cavité inférieure 9 centrale et
une cavité supérieure 10 centrale. La cavité inférieure 9 abrite deux paires
d'aimants additionnels 11 a, 11 b, 12a, 12b superposées, le champ magnétique
radial développé par l'une des deux paires d'aimants additionnels 11a, 11b,
12a, 12b étant opposé au champ développé par l'autre paire d'aimants
additionnels 12a, 12b, 11 a, 11 b. De la même manière, la cavité supérieure 10
abrite deux paires d'aimants additionnels 13a, 13b, 14a, 14b superposées.
La cavité inférieure 9 et la cavité supérieure 10 sont chacune
destinées à recevoir respectivement un ensemble de fils conducteurs 15a, 15b,
15c, 16a, 16b, 16c solidaires de la source magnétique 3, 4 correspondante et
disposés perpendiculairement à l'axe du volant 2. Chaque ensemble de fils
conducteurs 15a, 15b, 15c, 16a, 16b, 16c est relié à un circuit d'alimentation
électrique (non représenté).
L'orientation des pôles des aimants circulaires 5 à 8 est choisie de
manière à ce que les aimants circulaires 5, 7, d'une part, et 6, 8, d'autre
part,
développent respectivement entre eux une force magnétique d'attraction. Les
puissances des aimants circulaires 5 à 8 sont choisies de manière à ce que la
force d'attraction tendant à rapprocher le volant 2 de la source supérieure 4
soit
en équilibre avec la force d'attraction tendant à rapprocher le volant 2 de la
source inférieure 3 augmentée de la force exercée par la gravité (symbolisée
par une flèche), c'est-à-dire le poids du volant 2.
Par ailleurs, les aimants 5, 6 exercent sur le volant 2 une force de
centrage importante, ceux-ci tendant à aligner l'axe magnétique des aimants
correspondants 7, 8 avec le leur. Cette force de centrage est suffisante pour
stabiliser radialement le volant.
Conformément à la loi d'Earnshaw, le volant 2 en sustentation
entre la source inférieure 3 et la source supérieure 4 ne peut être stable. En
effet, la force de centrage des aimants 5 à 8 disposés en attraction étant
particulièrement importante, celle-ci confère au volant 2 une stabilité
radiale et
impose un instabilité axiale. Ainsi en l'absence de toute régulation de champ
complémentaire, le volant 2 a naturellement tendance à venir au contact de la
source magnétique inférieure 3 ou de la source magnétique supérieure 4.
La stabilité axiale est assurée grâce aux interactions entre chacun
des aimants additionnels 1 1 a à 14b et les ensembles de fils conducteurs 15a
à
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16c correspondants. En effet, lorsqu'un conducteur soumis à un champ
magnétique perpendiculaire est parcouru par un courant électrique, il subit
une
force de Laplace formant, avec les vecteurs courant et champ, un repère ortho
normal direct.
5 Ainsi, chacun des ensembles de fils conducteurs 15a à 16c
parcourus par un courant électrique interagit avec les aimants additionnels 11
a
à 14b correspondants. En l'espèce, l'orientation des paires d'aimants
additionnels 11a à 14b et le sens du courant électrique parcourant les fils
conducteurs 15a à 16c sont choisis de manière à ce que lorsque le volant 2 se
10 rapproche de la source inférieure 3, la force de Laplace générée soit
dirigée
axialement et tende à éloigner le volant 2 de la source inférieure 3.
Respectivement, lorsque le volant 2 se rapproche de la source supérieure 4, la
force de Laplace générée doit être dirigée axialement et tendre à éloigner le
volant 2 de la source supérieure 4.
Selon la disposition de la figure 1, lorsque le volant 2 est à
l'équilibre, une moitié des fils conducteurs 15a à 16c est soumise au champ
magnétique radial des paires d'aimants additionnels 11 a, 11 b, 14a, 14b,
tandis
qu'une autre moitié des fils conducteurs 15a à 16c est soumise au champ
magnétique radial des paires d'aimants additionnels 12a, 12b, 13a, 13b, de
même direction mais de sens opposé au champ des paires d'aimants
additionnels 11 a, 11 b, 14a, 14b. La force de Laplace résultant de cette
double
influence est donc nulle. En l'espèce, il a été considéré pour l'exemple que
la
puissance des aimants additionnels 11a à 14b était la même et que les fils
conducteurs 15a à 16c étaient parcourus par la même intensité électrique. Il
est toutefois bien évidemment possible d'obtenir un tel équilibre avec des
aimants de puissance d'aimants et des intensités électriques différentes.
Cependant, comme expliqué, le volant 2 est axialement instable et
a tendance à se rapprocher soit de la source inférieure 3, soit de la source
supérieure 4. Lorsque le volant 2 se rapproche de la source inférieure 3, les
fils
conducteurs 15a à 15c sont alors principalement soumis au champ magnétique
de la paire d'aimants additionnels 12a, 12b, tandis que les fils conducteurs
16a
à 16c sont principalement soumis au champ magnétique de la paire d'aimants
additionnels 13a, 13b de même orientation magnétique que la paire d'aimants
additionnels 12a, 12b. Le sens du courant électrique parcourant les fils
conducteurs 15a à 16c est choisi de manière à ce que s'exerce sur le volant 2
une force de Laplace tendant à éloigner le volant 2 de la source inférieure 3
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vers la source supérieure 4. Il convient de noter que ce cas est également
applicable au volant avant sa mise en sustentation, la force de Laplace ainsi
créée participant à son décollage de la source magnétique inférieure 3.
De la même manière, lorsque le volant 2 se rapproche de la source
supérieure 4, l'ensemble des fils conducteurs 15a à 15c est principalement
soumis au champ de la paire d'aimants additionnels 11 a, 11 b tandis que les
fils
conducteurs 16a à 16c sont principalement soumis au champ de la paire
d'aimants additionnels 14a, 14b de même orientation magnétique. L'orientation
magnétique des paires 11 a, 11 b et 14a, 14b étant opposée à celle des paires
12a, 12b, d'une part, et 13a, 13b, d'autre part, la force de Laplace
résultante
possède donc un sens opposé et tend à éloigner le volant 2 de la source
supérieure 4 pour le ramener vers sa position d'équilibre instable initiale.
De ce fait, le volant 2 est stabilisé axialement sans utiliser aucun
capteur ni aucun système de régulation du courant électrique et oscille de
part
et d'autre d'une position d'équilibre moyen. Les expériences ont montré que
l'intensité du courant électrique nécessaire pour stabiliser un volant 2
possédant une masse de 2,4 kg est d'environ 15 milliampères seulement.
Un volant d'inertie 20, tel que représenté sur la figure 2, comprend
un volant 21 se distinguant du volant 2 principalement par le fait qu'il est
soumis à une source magnétique inférieure 3a comprenant un aimant 5a
circulaire interagissant avec un aimant 7a circulaire correspondant du volant
21, de manière à développer entre eux une force répulsive s'opposant à la
chute du volant 21 par gravité (symbolisée par une flèche). A l'inverse du
volant 2 du volant d'inertie 1, le volant 21 est stable axialement mais
présente
une instabilité radiale, la source magnétique inférieure 3 tendant à repousser
latéralement le volant 21. De ce fait, le volant 21 doit donc être stabilisé
radialement grâce au procédé selon l'invention.
Pour ce faire, le volant 21 comprend une gorge 22 latérale
périphérique comprenant des aimants additionnels supérieurs 23, 24 circulaires
adjacents et inférieurs 25, 26, également circulaires et adjacents, ladite
gorge
latérale 22 étant destinée à recevoir un ensemble de fils conducteurs 27a,
27b,
27c formant des spires d'une bobine 27 parcourue par un courant électrique
constant. Les aimants additionnels 23 et 25 sont situés en regard l'un de
l'autre
et possèdent une orientation magnétique identiques. Les aimants additionnels
24 et 26 sont également situés en regard l'un de l'autre et possèdent une
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orientation magnétique identique mais opposée à l'orientation magnétique des
aimants additionnels 23, 25.
Comme pour le volant d'inertie 1, lorsque le volant 20 est à
l'équilibre, la bobine 27 possède autant de spires soumises au champ
magnétique des aimants additionnels 23, 25 que de spires soumises au champ
magnétique des aimants additionnels 24, 26, et la force de Laplace résultante
est donc nulle. Lorsque le volant 21 s'écarte radialement, la bobine 27 est,
dans la direction dans laquelle le volant 21 s'écarte et quelle que soit cette
direction, principalement soumise au champ magnétique des aimants
additionnels 24, 26, tandis que dans la direction diamétralement opposée,
ladite bobine 27 est principalement soumise au champ magnétique des
aimants additionnels 23, 25 opposé à celui des aimants additionnels 24, 26. Le
sens du courant parcourant la bobine 27 dans la direction selon laquelle le
volant 21 s'écarte, étant opposé à celui de la direction diamétralement
opposée, la force de Laplace générée de part et d'autre du volant 21 possède
une direction et un sens identique. Le sens du courant parcourant la bobine 27
et l'orientation des aimants additionnels 23 à 26 sont choisis de manière à ce
que la force de Laplace s'exerçant selon la direction dans laquelle le volant
21
s'écarte soit centripète, rappelant ainsi le volant 21 vers sa position
d'équilibre,
la force de Laplace correspondant s'exerçant diamétralement à l'opposé étant
alors centrifuge.
Ainsi, le volant 21 est stabilisé radialement et oscille autour de son
axe.
La figure 3 montre un troisième mode de réalisation d'un volant
d'inertie stabilisé selon le procédé de l'invention. Ce volant d'inertie 30
comprend un volant 31 cylindrique possédant un axe 32 et mis en sustentation
magnétique entre une source magnétique inférieure 33 et une source
magnétique supérieure 34. Chaque source magnétique comporte un aimant
35, 36 annulaire traversé par l'axe 32, les aimants 35, 36 possédant une
orientation magnétique axiale et interagissant chacun avec un aimant 37, 38
concentrique correspondant situé sur l'axe 32 du volant 31 à la même hauteur
que lesdits aimants 35, 36.
L'orientation des aimants 35 à 38 est choisie identique, les aimants
35, 37, d'une part, et 36, 38, d'autre part, développant respectivement entre
eux une force magnétique opérant un centrage de l'axe 32. Le volant 31 est
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donc stable radialement et présente une instabilité axiale stabilisée par le
procédé selon l'invention.
Pour ce faire, le volant 31 présente une gorge 39 périphérique
supérieure abritant deux aimants additionnels extérieurs 40,41 circulaires
superposés et deux aimants additionnels intérieurs 42, 43 superposés, ladite
gorge 39 étant destinée à recevoir un ensemble de fils conducteurs 44a, 44b,
44c formant des spires d'une bobine 44 parcourue par un courant électrique
constant. Les aimants additionnels 40 et 42 sont concentriques et possèdent
une orientation magnétique identique. Les aimants additionnels 41 et 43 sont
également concentriques et possèdent une orientation magnétique identique
mais opposée à l'orientation magnétique des aimants additionnels 40, 42.
Comme pour les volants d'inertie 1 et 20, lorsque le volant 30 est à
l'équilibre, la bobine 44 possède autant de spires soumises au champ
magnétique des aimants additionnels 40, 42 que de spires soumises au champ
magnétique des aimants additionnels 41, 43, et la force de Laplace résultante
est donc nulle. Lorsque le volant 30 s'écarte axialement et se rapproche de la
source magnétique inférieure 33, la bobine 44 est alors principalement soumise
au champ magnétique des aimants additionnels 41, 43. L'orientation des
aimants additionnels 41, 43 et le sens du courant électrique parcourant la
bobine 44 sont choisis de manière à ce que la force de Laplace générée tende
à éloigner le volant 30 de la source inférieure 33 et le ramène vers sa
position
d'équilibre instable initiale. De la même manière, lorsque le volant 30 se
rapproche de la source magnétique supérieure 34, la bobine 44 est alors
principalement soumise au champ magnétique des aimants additionnels 40,
42. L'orientation des aimants additionnels 40, 42 étant opposée à
l'orientation
des aimants 41, 43, la force de Laplace générée tend à éloigner le volant 30
de
la source supérieure 34 et le ramène vers sa position d'équilibre instable
initiale.
Ainsi, le volant 30 est stabilisé axialement et oscille autour d'une
position d'équilibre moyen.
En variante il est possible d'utiliser moins d'aimants et d'en
contrôler l'orientation du champ à l'aide de fer doux. Un volant d'inertie 50,
tel
que représenté à la figure 4, en constitue un exemple de réalisation.
Ce volant d'inertie 50 comprend un volant 52 cylindrique en
sustentation magnétique entre une source magnétique inférieure 53 et une
source magnétique supérieure 54. Chaque source magnétique 53, 54
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comporte respectivement un aimant circulaire 55, 56 faisant face à un aimant
57, 58 circulaire correspondant du volant 52.
Par ailleurs, le volant 52 présente une gorge 59 annulaire centrale
dont le centre abrite un aimant additionnel 60 développant un champ
magnétique axial, ladite gorge 59 présentant des parois recouvertes d'une
couche de fer doux 61 pour réorienter le champ magnétique de l'aimant
additionnel 60 selon une direction radiale. D'autres dispositions de fer doux
au
voisinage d'aimants additionnels sont représentées aux figures 6 et 7.
La gorge 59 est destinée à recevoir un ensemble de fils
conducteurs 62a, 62b, 62c formant une bobine 62 solidaire de la source
magnétique supérieure 64, la bobine 62 possédant un axe qui se confond avec
l'axe du volant 52. La bobine 62 est reliée à un circuit d'alimentation
électrique
(non représenté).
Comme pour le volant d'inertie 1, l'orientation magnétique des
aimants 55 à 58 est choisie de manière à ce que les aimants 55, 57, d'une
part,
et 56, 58, d'autre part, développent respectivement entre eux une force
magnétique d'attraction. Les puissances des aimants 55 à 58 sont choisis de
manière à ce que la force d'attraction tendant à rapprocher le volant 52 de la
source supérieure 54 soit en équilibre avec la force d'attraction tendant à
rapprocher le volant 52 de la source inférieure 53 augmentée de la force
exercée par la gravité (symbolisée par une flèche), c'est-à-dire le poids du
volant 52.
La stabilité axiale est assurée grâce aux interactions entre la
bobine 62 et le champ magnétique développé par l'aimant additionnel 60 en
générant une force de Laplace complémentaire.
Selon la disposition des figures 4 et 5, lorsque le volant 52 est à
l'équilibre, aucune force de Laplace n'est générée et la bobine 62 n'est pas
alimentée. Lorsque le volant 52 se rapproche de la source inférieure 53, on
applique un courant électrique aux bornes de la bobine 62 dont le sens est
choisi de manière à générer une force de Laplace dirigée axialement et tendant
à éloigner le volant 52 de la source inférieure 53 pour le ramener vers sa
position d'équilibre instable initiale. Lorsque le volant 52 se rapproche de
la
source supérieure 54, il est nécessaire de générer une force de Laplace
-tendant à éloigner le volant 52 de la source supérieure 54. Pour ce faire, le
champ magnétique de l'aimant additionnel agissant sur la bobine 62 étant
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constant, il est nécessaire d'inverser le sens du courant parcourant ladite
bobine 62.
En complément de ce dispositif, il est donc nécessaire de prévoir
un capteur permettant de détecter si le volant 52 s'approche de la source
5 inférieure 53 ou de la source supérieure 54 de manière à appliquer du
courant
selon le sens souhaité lorsque nécessaire. Contrairement aux dispositifs
précédents, pour lesquels aucun capteur n'est nécessaire mais dans lesquels
les conducteurs électriques sont alimentés en permanence, la bobine 62 du
volant d'inertie 60 n'a pas besoin d'être alimentée en permanence, ce qui
réduit
10 encore la consommation électrique du dispositif. Elle nécessite en revanche
le
couplage du circuit d'alimentation à un capteur.
Des exemples de capteurs sont représentés aux figures 8 à 10.
La figure 8 représente un capteur 100 mécanique comprenant une
pointe 101 possédant une pointe extrêmement fine et solide se terminant par
15 une bille de très petit diamètre (inférieur à 1 mm) en matériau très dur,
ladite
pointe étant destinée à être fixée au centre du volant 52. Un interrupteur 102
comprenant deux lames 103, 104 conductrices, cette dernière étant fixe et
solidaire du bâti du volant d'inertie. Ces deux lames 103, 104 sont reliées à
l'alimentation électrique. Plus précisément, la lame 103 est destinée à être
en
contact avec la pointe 101 et comprend à cette fin une plaque 105
extrêmement dure en rubis. Lorsque, sous l'effet de la force de Laplace, le
volant 52 se rapproche de la source supérieure 53, la pointe vient exercer une
force très faible (quelques centaines de milligrammes) contre la plaque 105 et
pousse la lame 103 au contact de la lame 104, ce qui ferme le circuit
électrique
et permet le passage du courant. Cela a pour effet de supprimer la force de
Laplace et le volant 52 redescend alors et s'éloigne de la source supérieure
54,
ce qui éloigne la pointe 101 et rouvre le circuit électrique, avec pour effet
de
rétablir la force de Laplace. Il en va de même, avec un deuxième capteur, pour
la source inférieure 53. Ce type de fonctionnement fait que le volant 52
oscille
sur une très faible amplitude de part et d'autre du point d'équilibre
métastable
d'Earnshaw ou très près de ce point, ce qui permet de limiter à des valeurs
très
faibles la puissance de lévitation, compte tenu de la masse du volant 52.
Les figures 9 et 10 représentent un capteur 110 comprenant une
boucle magnétique inférieure 111 et une boucle magnétique supérieure 112
située respectivement au dessus et en dessous du passage de deux aimants
114, 115 solidaires du volant 52 et pouvant avoir une orientation magnétique
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opposée. Il est bien évidemment possible de disposer à intervalles réguliers
plusieurs aimants semblables aux aimants 114, 115 sur la périphérie du volant
52, en alternant éventuellement leurs orientations magnétiques. Lorsque le
volant est en rotation, les boucles magnétiques inférieure 111 et supérieure
112 sont soumises à un champ alternatif induisant des courants électriques
alternatifs en opposition de phase dans lesdites boucles 111, 112. Ces
courants induits sont additionnés par un comparateur 116 et le courant
résultant est dirigé vers la bobine 62 pour l'alimenter. Il est éventuellement
possible d'y ajouter un amplificateur opérationnel si les forces
électromotrices
induites sont insuffisantes. En effet, lorsque le volant 52 se rapproche de la
source supérieure 54, la boucle magnétique supérieure 112 est soumise à un
champ magnétique plus fort que la boucle magnétique inférieure 111, et
génère donc une force électromotrice induite plus grande, la somme des forces
électromotrices induites est donc en faveur de la boucle supérieure 112 et la
bobine 62 est alimentée par un courant circulant dans le sens correspondant. A
l'inverse lorsque le volant 52 se rapproche de la source inférieure 53, la
boucle
magnétique supérieure 112 est soumise à un champ magnétique moins fort
que la boucle magnétique inférieure 111, et génère donc une force
électromotrice induite moins intense, la somme des forces électromotrices
induites est donc en faveur de la boucle inférieure 111 et la bobine 62 est
alimentée par un courant circulant dans le sens inverse du précédent et génère
une force de Laplace inversée.
Il convient de noter que les exemples cités décrivent des bobines
ou fils conducteurs solidaires des sources supérieures et/ou inférieures
tandis
que les volants comprennent des aimants additionnels. Il est bien évident que
cette disposition peut être inversée, la bobine ou les fils conducteurs étant
intégrés au volant, tandis que les aimants additionnels sont intégrés aux
sources supérieures et/ou inférieures, et que l'alimentation de la bobine ou
des
fils conducteurs est réalisée à l'aide d'un générateur interne au volant.
Toutefois ce mode de réalisation est plus difficile à mettre en oruvre et on
préfèrera les dispositions telles que décrites précédemment.
La figure 11 montre une variante d'application du procédé selon
l'invention à un train 200 à sustentation magnétique. Ce train 200 est mis en
sustentation entre un rail inférieur 201 et un rail supérieur 202 au moyen
d'aimants 203, 204 coopérant chacun avec un aimant 205, 206 du train de
manière à ce que l'aimant 203 du rail inférieur 201 développe avec l'aimant
205
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correspondant du train 200 une force de répulsion, tandis que l'aimant 204 du
rail supérieur 202 développe avec l'aimant 206 correspondant du train 200 une
force d'attraction. Conformément à la loi d'Earnshaw, le train est instable
latéralement et doit être stabilisé à l'aide du procédé selon l'invention.
Pour ce
faire, le train 200 est équipé de rails latéraux 207 en fer doux comprenant un
aimant additionnel 208 possédant une magnétisation verticale. Ce rail 207 est
destiné à recevoir un rail complémentaire 209 fixe, solidaire d'une voie 210
le
long de laquelle le train se déplace. Ce rail complémentaire 209 est parcouru
de fils conducteurs 211 alimentés en courant électrique et soumis au champ
magnétique développé par l'aimant additionnel 208. Il est donc possible de
générer une force de Laplace s'exerçant sur le train 200 et permettant de
corriger ses instabilités magnétiques.
Il convient de noter qu'un des avantages principaux du procédé et
dispositif objet de l'invention réside dans le fait qu'il ne fonctionne pas
par
modification des champs magnétiques de portance et de positionnement et que
la position de l'objet lévité se situe au point d'équilibre métastable de
Earnshaw
ou très près de ce point, ce qui permet de limiter à des valeurs extrêmement
faible la puissance de lévitation compte tenu de l'importance de la masse de
l'objet lévité.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples
particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que
leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
