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Ventilateurs Noctua S12 - Page 5/10

Rédigé par David D. - 19/09/2006
Catégorie : Aircooling



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Guidage quasi sans contact à la manière Sunon MagLev

La firme Sunon a été plus loin dans le guidage en intégrant un deuxième champ magnétique sous le rotor afin de l'attirer à 360° pour stabiliser sa rotation et le centrer sans effort. Ce n'est pas de la lévitation, mais il ne subsiste qu'un seul point de contact en bout d'axe pendant le fonctionnement. C'est le système MagLev introduit en 1999 et qui mériterait d'être un peu plus connu ici.

Une lévitation magnétique intégrale du rotor serait de très loin la meilleure solution. On n'aurait plus aucun contact, donc plus d'usure mécanique ni de vibrations, mais elle est compliquée à mettre en oeuvre si l'on souhaite que le ventilateur puisse opérer dans n'importe quelle position. Pour cela, il faut allier plusieurs champs magnétiques pour soutenir le rotor dans les trois dimensions. Néanmoins, ça existe sur certaines pompes spécialisées avec un rotor flottant sans contact au milieu du fluide.

Le rotor d'un Sunon Maglev n'est finalement qu'une toupie dont on stabilise la rotation en le plaquant sur son point d'appui grâce au deuxième champ magnétique tout le tour. L'appui réel est quasiment ponctuel car le bout de l'axe est arrondi et repose sur une surface plane. L'axe restera exactement au centre du palier grâce à l'action des 2 champs magnétiques combinés. Le palier ne sert à rien pendant le fonctionnement, il n'y a jamais contact avec l'axe en métal et donc pas d'usure. Il sert juste à l'arrêt quand le champ du moteur s'interrompt car il faut tout de même maintenir l'axe un petit peu (plus d'effet gyroscopique) :

Sunon avait réalisé une étude pour comprendre l'impact du deuxième soutien magnétique de leur système Maglev. Pour savoir s'il y a contact entre l'axe et le palier, il suffit d'établir un circuit électrique qui se sert du contact axe-palier comme d'un interrupteur. Si l'axe touche le palier, le circuit électrique se ferme et l'on peut alors détecter le passage du courant. Un ventilateur à palier lisse classique a donc été comparé à un ventilateur Maglev de cette manière :

Pour le ventilateur classique, on constate que l'axe vient toucher le palier de manière plus ou moins aléatoire malgré l'huile, surtout au démarrage, ce qui provoque les pics et les paliers sur le premier graphique. Un rotor n'est jamais équilibré à la perfection car ça coûterait une fortune de faire de l'équilibrage dynamique sur les énormes séries qui sont produites. Il y a donc toujours un léger balourd qui fait que l'axe oscillera sans cesse et touchera le palier pendant la rotation. Durant la phase d'attraction-répulsion au niveau du moteur, il y a aussi production d'une vibration car le rotor subit sans cesse des à-coups, le nombre de pôles n'étant pas infini. Il subit une brutale accélération quand les 4 pôles de son aimant circulaire se rapprochent des 4 pôles du moteur car les bobinages sont alimentés de manière simpliste en tout ou rien (ce qui produisait le bruit strident sur la Laing D4 d'ailleurs).

Dans le cas du Maglev, le rotor n'oscille pas car il est tout le temps rappelé à l'ordre par le deuxième champ magnétique à 360°. L'axe ne touche alors plus le palier et on n'a pas d'usure de celui-ci. La durée de vie augmente alors considérablement (mieux que des doubles roulements d'après Sunon, à voir...). Seul le point de contact à l'arrière usera le bouchon, mais c'est extrêmement faible car les matériaux employés sont durs. Il en résulte moins de vibrations, moins de bruit car le contact est ponctuel et moins de consommation car les frottements mécaniques sont quasiment nuls.

Palier Noctua SSO, kesako ?

L'annonce faite par Noctua sur la supériorité de ses ventilateurs est basée sur les effets induits par la rotation. Cet effet est celui que l'on devine lorsque l'on tient une roue de vélo par l'axe à bout de bras, puis que quelqu'un la fait tourner rapidement. Si l'on tente d'incliner la roue, on est gêné car une force, due à l'effet gyroscopique, apparaît et nous empêche de la bouger comme bon nous semble. L'axe pointe une direction bien précise et il tentera d'y rester quoi que l'on fasse.

Il se passe un peu la même chose pour un ventilateur à palier. Son rotor met quelques secondes à trouver son équilibre au démarrage, le temps d'acquérir une certaine vitesse. Durant cette période, on dit qu'il subit un mouvement de précession. Cette précession est le phénomène que l'on observe lorsqu'on déséquilibre une toupie en lui donnant une pichenette : son axe de rotation va se mettre à décrire un cône, le point de contact au sol ne bougeant pas. Pour un ventilateur, le guidage de l'axe ayant toujours du jeu, il peut bouger de manière microscopique en oscillant dans le palier, le temps que l'effet gyroscopique soit suffisamment élevé pour lui donner une relative stabilité. On observe d'ailleurs cet effet sur le graphique précédent du palier lisse classique avec un démarrage assez chaotique contenant beaucoup de contacts axe-palier.

Les trois étapes principales qui décrivent la mise en rotation sont présentées ci-dessous. Le jeu entre les pièces est très exagéré pour y voir clair et on suppose que le ventilateur est vertical. On notera Oc le centre du palier et Oa le centre de l'axe :

A l'arrêt, l'axe repose sur le palier, rien ne se passe (Fig.1). A t=0, on lance la rotation. Le rotor accélère et l'huile commence à être attirée dans la partie convergente entre l'axe et le palier par capillarité, mais la vitesse n'est pas encore suffisante pour générer un champ de pression capable de soulever l'axe. Il roule donc en glissant sur le palier de manière plus ou moins sèche (lubrification dite mixte), ce qui engendre une usure (Fig.2). L'axe atteint maintenant une vitesse suffisante, le film d'huile peut se former entièrement entre le palier et l'axe, ce qui a tendance à le soulever. On rentre alors dans du frottement visqueux sans contact métal-métal et il n'y aura plus d'usure tant que le film restera correctement en place (Figure 3).

On comprend bien qu'avec le temps et le fait que le palier en bronze fritté soit bien moins dur que l'axe en acier, il va y avoir une lente et inévitable érosion de ce palier, dépendant de la qualité de la lubrification et des contraintes imposées à l'axe. Au bout d'un moment, il sera tellement usé que le jeu entre l'axe et le palier sera trop important. Le ventilateur commencera alors à faire du bruit et à vibrer de plus en plus car l'axe ne sera plus soutenu convenablement (c'est progressif). Cette usure prendra l'allure d'un diabolo inversé tel que le schéma ci-après le montre, avec une exagération de la forme usée pour voir clairement :

Le palier SSO est conçu pour agir un peu comme le système Maglev en essayant de stabiliser plus rapidement l'axe. Il tend à corriger principalement la phase de démarrage, quand l'axe oscille un peu n'importe comment à basse fréquence, le temps d'arriver à sa vitesse de croisière. En fonctionnement normal, il permettrait aussi de limiter les oscillations suite aux vibrations ou au balourd du rotor, c'est à voir... L'un des points potentiellement intéressants, qui n'est pas cité par Noctua, concerne les contraintes générées par le poids du rotor car il est nettement plus léger que les autres. Si le rotor a un balourd (déséquilibre), il engendrera une force d'appui, venant user le palier, moindre puisqu'elle est directement liée au poids et à la vitesse de rotation. Les vibrations seront de ce fait aussi un peu plus limitées.

Alors que le système Maglev stabilise et attire le rotor sur 360°, Noctua attire et contraint un peu plus l'axe au centre à l'aide d'un petit aimant rond placé sous celui-ci. Il tentera de limiter les déplacements angulaires de l'axe au sein du palier. Avoir moins de déplacements et d'oscillations signifie moins d'usure et donc une durée de vie potentiellement plus élevée. Ca n'empêchera pas les contacts métal-métal car le système paraît tout de même moins efficace que le Maglev à première vue, mais ça en atténue probablement les effets néfastes. Le bruit augmentera quand même avec le temps car c'est inévitable, mais il le fera plus lentement et c'est tant mieux.

Après avoir "détruit" l'un des échantillons, on refait un schéma plus complet que celui de Noctua avec les différentes pièces :

L'aimant est vraiment petit, mais il est puissant par rapport à sa taille. A la main, on sent nettement qu'il attire l'axe, même à plusieurs millimètres de distance. Une fois monté, la distance les séparant n'est que de ~1 mm. L'aimant aura donc une réelle influence sur son comportement en l'attirant à lui pour tenter de le garder orthogonal à sa surface. Voilà donc ce qui fait la spécificité du palier SSO.

Il reste à voir le gain apporté en réalité au bout d'une longue période, mais on ne peut raisonnablement pas tester ce point... C'est néanmoins très bien d'essayer d'améliorer le guidage plutôt que de proposer un énième ventilateur n'apportant rien.

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