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Le palier magnétique actif, Graal du mécanicien

Jean-François Preveraud

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Le palier magnétique actif, Graal du mécanicien

Une moto-pompe équipée de paliers magnétiques actifs.

© DR

SKF S2M a mis en service voici quelques semaines son 1 000e système de palier magnétique actif dans l'industrie du pétrole et du gaz. Un rêve d’ingénieur mécanicien, puisque ce palier fonctionne sans lubrification et sans frottement, même sous de très fortes charges et à très grande vitesse. Un produit dont les premiers développements remontent à la Seconde Guerre mondiale.

Le palier magnétique actif est pour ainsi dire le Graal du mécanicien. C’est un palier, ensemble mécanique assurant le guidage en rotation d’un arbre de machine, qui supporte de très fortes charges, ainsi que de très grandes vitesses sans aucun frottement, en absence totale de lubrification. De plus, il est fiable et demande très peu de maintenance. De fait, il utilise la lévitation magnétique contrôlée de l’arbre au sein d’un stator constitué d’électro-aimants, dont la puissance est ajustée en temps réel en fonction de la charge et des contraintes vibratoires auxquelles l’arbre est soumis.

Officiellement, il est apparu en 1976 lors de la création de la Société de mécanique magnétique (S2M), filiale commune entre la Société européenne de propulsion (SEP) basée à Vernon (Eure) et le groupe SKF. Mais son origine est bien plus ancienne car il faut remonter près de 40 ans plus tôt. En effet, l’un des pionniers du palier magnétique est Helmut Habermann, un autrichien né en 1917 et ayant suivi des études d'ingénieur en Tchécoslovaquie à la fin des années 1930. Durant la Seconde Guerre Mondiale, il a travaillé dans les équipes de Wernher von Braun à Peenemünde, de 1943 à 1945, pour la mise au point des V2, premiers missiles balistiques de l’histoire.

Des V2 au palier magnétique

Les moteurs-fusées de ces engins diaboliques étaient alimentés par des propergols liquides (hydrate d'hydrazine, mélange d’éthanol et d’eau, et oxygène liquide). Pour injecter sous pression ces liquides dans la chambre de combustion, on utilisait des turbo-pompes entraînées par la turbine d’un générateur de gaz. Le tout devant tourner à très grande vitesse, plusieurs dizaines de milliers de tours par minute, avec le minimum de frottements. D’où les premiers essais de paliers magnétiques actifs pour remplacer des roulements supportant difficilement de telles contraintes.

Capturé dans le cadre de la chasse aux savants nazis pouvant être utiles à l’effort de guerre des Alliés, il est affecté avec une centaine de collègues au Laboratoire de recherches balistiques et aérodynamiques (LRBA) de Vernon pour développer une super fusée V2. Rapidement naturalisé, il y travaillera sur les programmes de fusées françaises (Véronique, Diamant), puis européenne (Europa), et rejoindra en 1971 la SEP en charge des activités industrielles du LRBA, où il poursuivra ses travaux sur les paliers magnétiques actifs en vue de développer leur usage dans l’industrie.

                             
                                   Helmut Habermann,
                                    l'un des pionniers
                              du palier magnétique actif

En 1976, le groupe SKF et la SEP créent la Société de mécanique magnétique (S2M), pionnière des paliers magnétiques actifs industriels, dont Helmut Habermann sera directeur technique jusqu’à sa retraite en 1982. Mais il restera conseiller technique jusqu'en 1993. Il est décédé le 30 décembre 2009, à l’âge de 93 ans. En 2007, le groupe SKF a pris le contrôle total de la S2M.

Le palier magnétique

Dans un palier magnétique actif, l’arbre tournant de la machine est mis en lévitation et maintenu en position par des forces électro-magnétiques agissant dans des directions radiales opposées. Ces forces sont générées dans le stator par des électro-aimants pilotés en temps réel par l’électronique de commande. Ces paliers magnétiques sont conçus sur mesure pour s’adapter aux conditions de fonctionnement et à la conception de l’arbre et de la machine.

Un système de palier magnétique actif est constitué de trois composants principaux :

  • le stator et le rotor du palier, qui appliquent les forces électro-magnétiques provoquant la lévitation de l’arbre ;
  • des capteurs de position qui repèrent la position de l’arbre suivant 5 axes ;
  • un ensemble électronique et des algorithmes, qui contrôlent le courant envoyé aux bobines du stator du palier magnétique, afin de maintenir l’arbre dans une position prédéfinie.

A la manière d’un moteur électrique, le stator du palier magnétique est constitué de tôles empilées autour desquelles sont enroulées des bobines de cuivre formant une série de pôles nord et sud diamétralement opposés. Chaque bobine est alimentée en courant pour produire la force d’attraction, mais elle est contrecarrée par son homologue diamétralement opposée. L’arbre est ainsi maintenu en lévitation à l’intérieur du palier.

Le contrôleur gère le courant appliqué aux bobines en surveillant en temps le signal envoyé par les capteurs de position, afin de maintenir l’arbre dans la position souhaitée tout au long du fonctionnement de la machine, tout en filtrant son comportement dynamique complexe. Selon l’application, on prévoit généralement un entrefer de 0,5 à 1 mm entre le rotor et le stator. Il est aussi possible d’assurer un guidage axial de l’arbre en le dotant d’un disque sur lequel agissent des forces électro-magnétiques opposées permettant de le maintenir dans une position prédéfinie.

Ces paliers magnétiques, de construction simple et robuste, ne nécessite pas d’entretien car il n’y a pas de pièces mécaniques en contact, ni d’usure. De fait, de nombreux utilisateurs ont rapporté que leur machine peut tourner pendant plus de 100 000 heures sans aucune défaillance liée aux paliers magnétiques, avec une fiabilité que se situe entre 99 et 100 %.

Ces systèmes de palier magnétique actif sont utilisés dans les moteurs à haute vitesse, les compresseurs centrifuges, les compresseurs cryogéniques, les pompes turbo-moléculaires, les turbines et générateurs de centrales électriques, les électro-broches de machines-outils, les volants d’inertie pour le stockage d’énergie, les équipements spatiaux. Plus de 130 000 systèmes ont déjà été installés sur une multitude de machines différentes.

Gagner 12 % de rendement

Alors que dans un compresseur centrifuge utilisant un moteur à vitesse fixe avec multiplicateur à engrenages et des paliers lisses lubrifiés à l’huile, le rendement de la chaîne de transmissions va se situer entre 82 et 85 %, la même machine équipée d’un moteur à haute vitesse et de paliers magnétiques actifs va voir son rendement augmenter de 10 à 12 %. Ce qui sur des machines pouvant atteindre plusieurs MW constitue une économie d’énergie non négligeable.

L’industrie pétrolière et gazière l’a bien compris puisque SKF S2M vient d’y installer son millième système de palier magnétique actif. Il est intégré dans un compresseur de type ‘‘stand-alone’’ dédié au transport de gaz naturel. Mais la grande fiabilité de ces systèmes les a fait retenir pour équiper les compresseurs et les moteurs à haute vitesse d'une installation gazière sous-marine, par définition difficile d’accès pour la maintenance. Ainsi la première station sous-marine de compression de gaz au monde, équipée de paliers magnétiques actifs SKF S2M, sera installée dans le champ offshore d'Åsgard en Norvège d'ici fin 2015.

Et ça, c’est nouveau !

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.skf.com

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