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" Frein automatique à disques frottants, en particulier pour moteurs électriques ".
La présente invention a pour objet un frein basé sur un principe électromagnétique ou purement mécanique et servant à immobiliser automatiquement un moteur électrique ainsi que l'appareil qu'il commande lorsque le courant d'alimentation vient à s'interrompre , ce frein permettant non seulement d'ar- rêter rapidement le mouvement de l'ensemble du systè me mais aussi de le bloquer dans la position qu'il prend en s'imnobili-- sant. Le dispositif suivant l'invention est caractérisa par un freinage ininterrompu et sans à-coups du moteur et il con- vient particulièrement poulies asoenseurs, treuils et machines analogues ou une interruption de courant sans blooage rigou- reux aurait pour oonséquenoe la chute de la change.
On connaît déjà plusieurs dispositifs de ce genre dont l'ob- jet est d'immobiliser et de bloquer la'charge hissée en cas d'interruption du courant et de son action électromagnétique.
C'est ainsi qu'on emploie souvent un frein à bande comportant un poids maentenu dans la position desserrée de 1'électro-aimant
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qui est alimenté par le même courant que le moteur. Au lieu du poids n emploie dans d'autres oas le ressort d'un oylindre pneu- matique ou hydraulique ou analogue . On connaît également des dispositifs reposant sur un prinoipe mécanique, par exemple sur la force oentrifuge dont la diminution, lorsque le courant est interrompu et que par suite la rotation se ralentit, a pour effet de mettre en action un frein approprié .
Hais ces dispositifs antérieurs présentent tous oet inoon- vénient que d'une part il(sont très compliqués et par conséquent font souvent défaut et que d'autre part ils impliquent l'emploi de divers éléments coûteux et lourds tels que disques de frein, poids, masses centrifuges, eto., dont l'effet est d'augementer le prix de revient de l'ensemble de 1 appareil, c'est-à-dire que lors d'une mise en action soudaine du frein et d'un arrêt instantanée du mouvement il peut s'ensuivre non seulement une mise hors d'usage rapide de la machine d'extraction mais aussi une rupture du câble et une ohute de la oharge.
Tous les inconvénients susindiqués des constructions anté- rieures sont supprimés par la disposition suivant la présente invention pour laquelle on bien on emploie un électro-aimant attirant une masse de fer contrairement à Inaction d'un ressort ou de tout autre dispositif de pression ou bien on utilise le couple du moteur, dont la diminution lors de l'interruption du oourant a pour effet de mettre progressivement en aotion le frein suivant l'invention.
Quelques exernples d'exécution de l'oujet de l'invention sont représentés sohématiquement aux dessins ai-annexés.
La fig. 1 est une coupe longitudinale vertioale d'un dis- positif de freinage reposant sur le principe de la force d'ab- traction électromagnétique , et cela dans le cas où le moteur tourne, c'est-à-dire lorsqu'il est desserré le frein selon le premier mode d'exécution pour lequel l'aotion du frein est asservie au courant du rotor.
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La fig. 2 montre le même frein après l'interruption du oourant et après l'arrêt complet du mouvement et le blooage du rotor.
La fig. 3 représente un schéma de montage d'un moteur asynohrone muni d'un frein suivant la seconde tonne d'exéou- tion de l'invention, qui se rapporte particulièrement à l'alimentation de l'enroulement d'excitation de 1'électro- aimant au moyen duquel le frein est main tenu dans la posi- tion desserrée .
La fig. 4 est une coupe schématique du frein en posi- tion desserrée .
La fig. 5 est la coupe oorrespondante dans le cas ou le moteur estfreiné.
La fig. 6 est une élévation du plateau de support et de l'électro-aimant suivant la ligne IV-IV de la f ig. 4.
La fig. 6a est un détail de 1'électro-aimant , tandis que
La fig. 7 est une coupe du frein suivant la ligne V-V de la fig. 5.
Les figs. 8 et @ montrent schématiquement le mode de fonctionnement du frein suivant l'inventionasée sur le principe de la diminution du couple du rotor du moteur lors de l'interruption du courant d'alimentation.
Les fige. 10 et 11 représentent la disposition complète d'un tel frein mécanique avant et après la mise en circuit et
La fig. 12 est un détail du dispositif d'application de la variante mentionnée en dernier lieu du frein suivant la présente invention.
Considérant la première forme d'exécution à laquelle se rapportent les figs. 1 et 2, sur l'arbre 1 du moteur éleo- trique est olaveté un électro-aimant 2 qui est excité par
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l'enroulement 3 paroouru par le oourant du rotor d'un moteur par exemple diphasé ou polyphasé.
Le moteur fonotionnant normalement, l'électro-aimant 2 attire l'élément 4 en forme de plateau qui peut coulisser sur l'arbre 1 mais non tourner avec lui, ce qui a pour effet de comprimer un ressort hélicoïdal 5 logé dans l'évidement 5' de l'électro-aimant 2. L'élément 4 en forme de plateau est muni de goujon6 qui s'ajustent dans,des évidements oylindri- ques oorrespondants 6' du moyeu 7 olaveté d'une façon absolu- ment rigide sur l'arbre . Sur ce moyeu sont enmanchés en vue de coulisser axialement des disques de friction 8 qui, lorsque le moteur tourne à plein régime, tournent eux-mêmes dans les intervalles oompris entre les anneaux)( fixes 9.
Ces anneaux 9 sont supportés par quelques goujons 10 qui sont rendus soli- daires de la structure extérieure du moteur électrique par l tintermédiaire des éorous 12, du plateau de support 13 et des vis 14, les dits anneaux s'ajustant tout-à-fait librement sur les goujons 10 de manière qu'ils puissent glisser axiale- ment sur eux sous l'aotion d'une force si faible soit-elle.
Les disques de frein 8, tout comme les anneaux 9, sont de pré- férenoe faits d'une matière solide, par exemple de fibre, oarao térisée toutefois par un grand coefficient de frottement, et ils peuvent être renforcés intérieurement par une armature métallique non figurée grâoe à laquelle leur résistance méca- nique est sensiblement augmentée.
Lorsqu'on interrompt le courant d'alimentation du moteur électrique et que cesse par conséquent l'action attractive de l'électro-aimant 2, le ressort 5 comprimé fait coulisser 1élément magnétique 4 en forme de plateau dans le sens de la flèche a (fig. 2), auquel cas ce dernier s'applique par toute sa surfaoe sur l'anneau 9' et le fait coulisser vers la gau- ohe. Il en résulte que l'anneau libre 9 ooulisse lui aussi vers la gauche sur le goujon de guidage 10 jusqu'à ce qu'il
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entre en contact, avec le disque 8 et déplace également ce dernier vers la gauche jusqu'à oe qu'il entre en contact aveo l'anneau fixe suivant 9" . Ce processus se répète jusqu'à ce que tous les éléments frottants 8 et 9 aient pris la position que contre la fig. 2.
Au premier contact du plateau magnétique 4, dont la surface extérieure est revêtue de la même matière de friction qui constitue les éléments frottants 8 et 9, avec le premier anneau 9' il se produit déjà un certain ralentisse- ment du mouvement à cause du frottement; ce frottement ne cesse d'augmenter par suite de l'entrée en action successive des dis- ques et des anneaux 8 et 9 jusqu'à ce que l'ensemble qu'ils constituent s'applique solidement oontre le plateau d'appui 13, ce qui a pour effet de produire un arrêt complet du mouvement.
Mais le freinage s'effectue d'une manière continue et douoe sans à-ooups ou irrégularités quelconques, ce qui contribue sensiblement à assurer un fonotioment sans incidents et à ménager les organes mobiles de l'ensemble de l'appareil. Il faut naturellement que dans la position extérieure qu'il occupe suivant la fig. 2 le ressort 5 possède encore une force de poussée suffisante pour que la charge soulevée soit immobili- sée dans sa position.
Lorsqu'on rétablit le circuit 1'électro-aimant 2 attire à nouveau le plateau magnétique 4 dans la direction de la flè- che b, (fig. 1), de sorte que lesorganes de freinage 8 et 9 sont pressés les uns contre les autres. Le moteur summonte peu à peu le frottement entre les divers disques de friotion et les anneaux 8 et 9, grâce à quoi son régime augmente progressi - vement jusqu'à sa valeur normale. Les éléments frottants se séparent alors automatiquement les uns des autres suffisamment pour que les anneaux 9 n'empêohent pas la rotation des disques 8 calés sur l'arbre du moteur tant qu'ils ne sont pas revenus dans la position représentée à la fig, 1.
Le courant d'exoitation de l'électro-aimant est amené
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aux bornes 15 de oe dernier à partir du rotor par des oonduo- teurs disposés dans les évidements 16 de l'arbre 1 dont on peut affaiblir la section de ce oôté puisqu'il ne transmet aucun effort de torsion. L'arbre 1 se termine par le carré habituel 17 servant à démarrer l'induit à la main au moyen d'une mani- velle .
Le nombre des paires de disques de friotion 8,9 dépend de la grandeur du couple qu'il s'agit de freiner, du temps pendant lequel le moteur sous charge normale doit demeurer immobile de la grandeur maximum de la charge, eto. Mais comme les éléments frottants, à la différenoe des constructions or- dinaires, travaillent bilatéralement et s'appliquent les uns oontre les autres par leurs deux faoes,leur nombre est réduit de moitié par rapport aux freins à friction analogues ordinai- res. Au lieu d'un ressort 5 on peut naturellement employer aussi un autre organe d'application de construction connue en soi .
Le frein suivant l'invention décrit o -dessus peut s'em- ployer aussi bien dans le cas du courant continu qu'en partion- lier dans celui du oourant alternatif, oar aux avantages susin- diqués s'ajoute encore oelui que l'électro-aimant 2 peut en même temps servir de démarreur automatique ainsi qu'il va être décrit ci-après .
Lorsqu'on met en circuit l'enroulement du stator le courant du rotor traverse les bobines 3 de 1'électro-aimant en y pro- duisant un champ magnétique et opposant au courant une résistan- oe telle que le courant de démarrage du stator se trouve de ce fait affaibli et n'augmente ensuite que progressivement. Le oir- cuit magnétique se ferme dans le plateau 4, de sorte que lors du démarrage, où le flux magnétique a atteint sa valeur maximum dans l'électro-aimant, il se produit les pertes maxima par hystérésis dont l'effet est de ralentir la poussée électrique .
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L'électro-aimant du frein absorbe par conséquent la puissanoe de démarrage nécessaire et par sa grande surface il rayonne sous tonne de chaleur l'énergie consommée . L'élea- tro-aimant du frein agit donc en ce cas comme un démarreur automatique . Lorsque le démarrage du moteur est terminé l'enroulement du rotor, o'est-à-dire en ce cas lesbobines de 1'électro-aimant, sont oourt-oirouitées par des bagues de laiton ou de ouivre 19 logées dans l'élément circulais 4 et le moteur tourne ensuite à sa vitesse normale sans que se produisent les pertes primitives par hystérésis puisque la fréquence est tombée presque à zéro par suite du démarrage du moteur .
Suivant la seoonde forme d'exécution les électro-aimants 1 servant à maintenir le frein en position desserrée tant que l'arrivée de courant n'est pas interrompue, sont d'après la fig. 3 branchés en série dans chaque phase du circuit de stator du moteur asynchrone, et cela par exemple entre l'in- terrupteur 2 et l'enroulement de stator proprement dit 3.Le rotor 4 du moteur muni da fren suivant l'invention peut être oourt-oirouité comme le montre la fig.
3 mais peut aussi être d'un autre type quelconque car le mode de fonctionnement du frein n'a rien de commun avec la construction du rotor.Les électro-aimants de phase 1 sont parcourus par le courant à fréquence constante du réseau tant que son arrivée n'est pas interrompue, o'est-à-dire lors même qu'il travaille sous char- ge absolument nulle, et il s'ensuit que le plateau 5 (figs. 4 à 7) est immobilisé dans la position suivant la fig. 4 pour laquelle les ressorts 6 disposés sur les entretoises 7,7' et 7" sont comprimés. Cela permet une liure rotation de l'ar- bre 8 du moteur qui présente un moyeu 9 rigidement olaveté et sur lequel les disques de friction 10 peuvent coulisser axialement mais qui sont montés en vue de tourner aveo le moyeu ainsi qu'il a été décrit précédemment.
Les disques non
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tournants enfilés sur les entreto'ises 7, 7', 7" , son-deux aussi de la construction classique décrite préoéderanent , de sorte que le mode de fonctionnement des organes de freinage proprenent dite est complètement identique . Si l'on interrompt ne serait-ce que dans une phase l'arrivée de courant dans le stator du moteur , les électro-aimants ou suivant le cas l'é- leotro-aimant qui se trouve hors-oirouit n'attire plus le disque 5 et la mise en liberté de l'énergie de l'organe de déclenchement comprimé, par exemple du ressort 6, détermine une mise à l'arrêt oontinue du moteur .
Le rétablissement du oir- cuit provoque le démarrage du moteur et son accélération oon- tinue jusqu' à son régime normal.
Corme les électro-aimants 1 sont branchas en série dans le circuit du stator et sont de ce fait sounis à l'aotion de la fréquence du réseau, il est nécessaire deeur donner une construction feuillet4e afin de diminuer les pertes par hysté- résis .
Les bobines, qui sont constituées par quelques enrou-
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lements 12 pas trop épais, sont enraanoh1es sur 1' élér.ent feuille- té 14 qui, afin d'obtenir un flux magnétique non perturbé, pré- ' sente un profil identique à celui du faisceau de tôles 13 fixé sur le plateau 5, de sorte que la dispersion est diminuée au point que les plateaux 5 et 16 sur lesquels les electro-ai- mants sont fixés ne doivent pas être faits de matière magnéti- quement conductrice Les entretoises 7,7', 7" sont d'une part fixées sur l'une des faces d'une plaque de support 15 solidaire de l'enveloppe du moteur et du oôté opposé (exté- rieur) elles sont supportées par un plateau à cet effet 16 auquel sont assujettis les aimants 1. Ce plateau est muni d'ouvertures convenables 17.
Le moyeu 9 peut naturellement recevoir une longueur sup3rieure à oelle que détermine le calcul préalable du nom- bre des disques 10, afin qu'on puisse, si l'on désirait aug- menter encore la sûreté de fonctionnement, y monter un nombre
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convenable de disques supplénentailes 1 augmntant ainsi l'ef-
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fat de friotion.
La force des ressorts 6 est oaloulée de manière que le moteur se freine automatiquement en cas d'interruption même d'une seule phase. A la différenoe du mode d'exécution déorit en premier lieu, le fopotionnement du frein est complètement indépendant du courant du rotor.
La disposition décrite n'est donnée naturellement qu'à titre d'exemple et ne limite pas le domaine de l'invention.
On peut avantageusement combiner l'excitation au moyen du courant du @ stator avec l'excitation au moyen du courant du rotor. Enfin, la disposition suivant l'invention peut égale- ment s'appliquer dans le cas d'autres moteurs électriques,par exemple de moteurs à courant continu, où les électro-aimants sont interoalés de préférence dans l'enroulement d'excitation shunt.
Une autre variante de la oonstruotion du frein suivant l'invention, telle qu'elle est représentée aux figs. 8 à 12,ne se différencie des deux premières formes d'exécution qu'en ce que le déclenchement électromagnétique de l'action de freinage incombe au frein, de sorte que son mode de fonctionnement est ocmplètement indépendant de tout facteur électrique car il n'opère que sur un prinoipe purement mécanique .
Considérant les figs. 10 et 11, sur l'arbre de commande principal 1 du moteur électrique est emmanehé un moyeu de ftein 2 partioipant à son mouvement mais pouvant aussi coulisser axialement sur lui, oet arbre étant oalé au moyen d'une clavet- te ooulissant dans la rainure 3 de l'arbre 1. Le rotor du mo- teur est monté absolument fou sur oet arbre, et cela dans la douille 4 qui porte la masse proprement dite 5 du rotor. Le mouvement du rotor est transmis à l'arbre 1 au moyen du moyeu 2 dont il est rendu solidaire par les orabots 2' et 4'. ces crabots s'encastrent les uns dans les autres quelle que soit leur position et leur hauteur est choisie de manière que même
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dans les positions extrêmes (figs. 8 et 9) la liaison du rotor avec le moyeu 2 ne soit jamais interrompue .
La seule ohose qui varie en ce cas est l'aire de contact entre les orabots (hachurés sur les figs. 8 et 9).
Le stator 6 du moteur est de oonstruotion classique et est rigidement relié à l'enveloppe de la machine . Le frein constitue alors aveo le moteur un tout indivisible puisqu'il est monté dans l'enveloppe du moteur électrique dont l'un des couvercles est en ce cas construit à oet effet et présente une surfaoe d'appui destinée à des fins qui seront exposées par la suite. Le moyeu 2 du corps de frein est sollioité axia- lement dans la direotion de, la douille 4 du rotor, montée folle sur l'arbre, par le ressort ou un autre organe de pression convenable et sa pression est également transmise par les orabots 2' et 4' au rotor, qui de ce fait ne peut se déplacer axialement vers la gauche, tandis que son déplacement vers la droite est limité par la butée 8.
Il en résulte que bien que le rotor soit absolument fou sur l'arbre il ne peut en auoune circonstance s'y déplacer axialement.
Sur le moyeu 2 ooulissant olaveté sont emnanchéa les disques de frein 8 guidés par les rainures 8' du moyeu avec lequel par oonséquent ils tournent mais sur lequel ils peuvent aussi ooulisser tout comme dans les deux premiers cas,, Entre les disques 8 sont interoalés alternativement les anneaux 9 portés par les tiges 10 sur lesquelles ils sont liorement enmanohés. Dans le frein proprement dit, ici encore, aveo des disques fixes alternent des disques mobiles construits exactement comme il a déjà été dit. Les tiges 10 sont fixées d'une part dans le couvercle du moteur et de l'autre dans le prolongement d'appui 12 oontre lequel les disques 8 et les anneaux 9 sont serrés lors du freinage et du blocage du mo- teur .
Ioi encore l'arbre se termine par le carré habituel 13
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destiné à la mise en route éventuelle à la main et est suppor- té par les paliers habituels 14 ; porte en outre, taillées sur une certaine partie de sa longueur, des encoches hélicoïdales 15 destinées à l'éorou de réglage 16 qui sert d'appui au res- sort de compression 7 dont l'effort peu+ racler à volonté en tournant pour cela l'éorou 16 dans certaines limites.
L'é- orou 16 porte en outre sur sa faoe extérieure un robuste ressort 17 composé d'un petit nombre de spires et dont l'objet est d'é- viter un ohoo trop violent lors de l'application du moyeu 2 ou du prolongement 19 sur la faoe de butée fixe 18 (fig. 12) lors de la marche à plein régime du moteur ainsi qu'il va être décrit de façon plus préoise .
Le mode de fonctionnement du frein dans ce cas est le suivant :
Lorsque le rotor est au repos le moyeu 2 s'applique de toute sa force P (fig. 8) sur la douille 4 du moteur, de sorte que les orabots 2' et 4' seraient foroés de s'engager à fond les uns dans les autres suivant la ligne en trait plein visi- ble sur la fig. 8 si le prolongement 19 (fig. 11) ne maintenait pas le moyeu 2 à une certaine distance minimum de la douille 4. En ce cas le prolongement 19 serre les éléments de friotion les uns contre les autres de façon telle quils portent comme un tout solidaire oontre la paroi d'appui 12.
Il résulte des explications qui viennent d'être données que la force du res- sort et la constitution des disques 8 et des anneaux 9 sont choisies de manière que le moteur aussi bien que la charge en position de repos soient complètement bloqués, c'est-à-dire que lorsque le frein est serré les orabots 2' et 4' (fig. 8) prennent la position indiquée en pointillé. Mais il ne s'exerce alors en même temps sur le rotor aucun effort axial et les ora- bots ne portent les uns contre les autres que librement par une seule face .
Si-l'on ferme maintenant le circuit d'alimentation du mo-
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teur le rotor tend à tourner par exemple dans le sens de la flèche a (fig. 4), les orabots 2', 4' agisaant alors les uns sur les autres à la façon de rampes qui tendent à produire un déplacement axial. En faisant austraction de tous les accessoi- res on obtient par l'établissement du circuit l'effort radial résultant D qui s'exerce en sens oontraire de l'effort P du ressort. Tant que l'effort P du ressort 7 est prépondérant la position réciproque des orabots 2' et 4' ne ohange pas, mais il est transmis à la butée du rotor une pression égale à la différence de ces deux efforts.
Mais lorsque l'effort de tor- sion N du rotor atteint la valeur pour laquelle la composante radiale D surpasse l'effort P du ressort, les orabots 2' se dé-- gagent sous l'action de l'effort résultant R (fig. 9), l'aire de oontaot entre les orabots ne cesse de diminuer et si le mou- vement des crabots 2', et par oonséquent de l'ensemble du moyeu 2, n'était pas limité par la faoe d'appui 10 il se produirait une interruption complète du contact de ces deux éléments.Les orabots 2' ne peuvent donc se déplacer axialement que dans les limites de la course H.
Lorsque l'effort P du ressort estvain- ou par l'action du couple du rotor, le serrage des disques 8 et des anneaux 9 les uns contre les autres cesse aussi en même temps,de sorte qu'ils s'éloignent les uns-des autres,oe que permet d'ailleurs le coulissement du moyeu 2, de valeur égale à la oourse H. Il en résulte un soulagement oontinu du rein et à mesure qu'augmente l'effort de torsion du rotor ce dernier commenes à tourner d'abord lentenent et sa vitesse croie par suite de la mise hors d'aotion successive des éléments de friotion jusqu' à ce qu'elle atteigne sa valeur normale .
L'effort axial R augmente sans cesse et afin que le choc du prolongement 19 oontre la faoe d'appui fixe 18 constituée par l'écrou 16 servant en même temps à régler l'effort du res- sort soit aussi faible que possible on monte sur sa face exté- rieure (fig. 12) un robuste ressort 17 qui ou bien amortit ou
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bien empêche complètement le choc du prolongement 19 oontre la faoe de butée 18 du fait qu'il absorbe lui-même la totalité de l'effort axial résultant R.
Du fait que la douille 16 et le ressort 17 participant à la .rotation de l'arbre prinoipal 1 du moteur, et cela naturellement aveo la même vitesse que le moyeu 2, il ne se produit entre ces éléments constitutifs du frein aucun mouvement relatif de rotation, de sorte que la portée du moyeu 2, o'est à-dire de son prolongement 19 sur l'é- orou 16 ou le ressort 17 ne peut occasionner auoune perte par frottement.
Lorsqu'on interrompt l'arrivée de courant dans le stator le rotor perd lui-même progressivement sa vitesse, sa force vi- ve diminue peu à peu jusqu'à ce que la force D tombe au-dessous de la grandeur de la force P du ressort 7, le moyeu commençant de ce fai à s'approcher progressivement du rotor jusqu'à ce que les disques et les anneaux du frein entrent en contact mutuel et, tout comme pour le frein éleotromagnétiqué, amènent le mo- teur au repos et le bloquent dans sa position freinée . La force du ressort 7 sera ohoisie d'après la puissance du moteur et la grandeur du poids qu'il s'agit de bloquer, ce qui s'applique également au calcul et au choix du matériau des organes de friction 8 et 9.
On donnera utilement à la force du ressort 7 une valeur suffisante pour qu'en cas d'interruption d'une phase et alors que d'ailleurs le moteur fonctionnerait à puissance réduite ou que pour des oauses de dérangement son couple dimi- nuerait, le moteur triphasé soit arrête.
Le frein automatique suivant le présent mode d'exécution possède tous les avantages exposés précédemment à propos du frein électromagnétique à l'exception de son fonctionnement comme démarreur, car dansla cas décrit en dernier lieu le frein, considéré du point de vue électrique, est complètement indépen- dant du moteur .
Mais le frein mécanique possède une autre propriété dont sort dépourvus les freins suivant les deux pre- miers modes d'exécution et qui réside en ce qu'cn peut les
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employer non seulement avec les moteurs électriques de tous ty- pes mais aussi aveo toutes les machines d'entraînement sans exception @@enfin aussi aveo des dispositifs qui ne servent que pour la transmission de la puissance, comme 0 test le cas par exemple pour les renvois de mouvement à engrenage,les vis sans fin, etc.
Considérant que le frein mécanique suivant l'in- vention ne fonctionne que sur le prinoipe mécanique, on peut l'employer d'une façon générale partout où d'une manière quel- conque l'effort mécanique est transmis au moyen d'un arbre tournant et d'organes mécaniques de transmission ooopérant avec lui . Le frein suivant l'invention n'est naturellement limité à aucun des trois modes de oonstruotion préoédeiinient décrits, qui servent uniquement et exclusivement d'exemples et ne limi- tent nullement le domaine de l'invention.
D'après la disposition décrite et les dessins ci-annexés il est visible que le frein automatique suivant 1invention. est caractérisé par sa grande sûreté de fonctionnement, sa sim- plicité et ses faibles dimensions, de sorte qu'on peut soit le loger à l'intérieur de l'enveloppe du@moteur électrique, auquel cas il forme aveo ce dernier un seul tout suivant les figs. 10 et 11, soit le rapporter extérieurement sur le moteur comme le montrent les figs. 1 et 2.
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"Automatic friction-disc brake, in particular for electric motors".
The present invention relates to a brake based on an electromagnetic or purely mechanical principle and serving to automatically immobilize an electric motor as well as the device that it controls when the supply current is interrupted, this brake not only allowing quickly stopping the movement of the whole system but also blocking it in the position it assumes when it is immobilized. The device according to the invention is characterized by an uninterrupted and smooth braking of the motor and it is particularly suitable for pulleys hoists, winches and similar machines where an interruption of current without rigorous blocking would result in the fall of the exchange. .
Several devices of this type are already known, the object of which is to immobilize and block the hoisted load in the event of an interruption of the current and of its electromagnetic action.
Thus, a band brake is often employed with a reduced weight in the released position of the electromagnet.
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which is supplied by the same current as the motor. Instead of weight, in other cases, the spring of a pneumatic or hydraulic cylinder or the like is employed. Devices are also known based on a mechanical principle, for example on the oentrifugal force, the reduction of which, when the current is interrupted and that consequently the rotation slows down, has the effect of putting into action an appropriate brake.
However, these earlier devices all present the fact that, on the one hand, they are very complicated and therefore often lacking and that, on the other hand, they involve the use of various expensive and heavy elements such as brake discs, weights. , centrifugal masses, eto., the effect of which is to increase the cost price of the set of 1 device, that is to say that when the brake is suddenly applied and stopped instantaneous movement it may result not only in rapid shutdown of the extraction machine but also in cable breakage and load loss.
All the aforementioned drawbacks of the prior constructions are eliminated by the arrangement according to the present invention for which an electromagnet attracting a mass of iron is used, unlike the inaction of a spring or any other pressure device, or else it is used. uses the torque of the motor, the reduction of which during the interruption of the current has the effect of gradually activating the brake according to the invention.
Some examples of execution of the object of the invention are represented sohematically in the accompanying drawings.
Fig. 1 is a vertical longitudinal section of a braking device based on the principle of electromagnetic ab- traction force, and this in the case where the motor is running, that is to say when it is released. the brake according to the first embodiment for which the aotion of the brake is slaved to the current of the rotor.
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Fig. 2 shows the same brake after the current has been interrupted and after the movement has completely stopped and the rotor has blocked.
Fig. 3 shows a circuit diagram of an asynohrone motor fitted with a brake according to the second embodiment of the invention, which relates particularly to the supply of the excitation winding of the electro- magnet by means of which the brake is hand held in the released position.
Fig. 4 is a schematic sectional view of the brake in the released position.
Fig. 5 is the corresponding cut in the case where the motor is braked.
Fig. 6 is an elevation of the support plate and the electromagnet taken along the line IV-IV of f ig. 4.
Fig. 6a is a detail of the electromagnet, while
Fig. 7 is a section of the brake taken along line V-V of FIG. 5.
Figs. 8 and @ show schematically the operating mode of the brake according to the invention based on the principle of the reduction of the torque of the rotor of the motor when the supply current is interrupted.
Freezes them. 10 and 11 show the complete arrangement of such a mechanical brake before and after switching on and
Fig. 12 is a detail of the application device of the last-mentioned variant of the brake according to the present invention.
Considering the first embodiment to which the figs relate. 1 and 2, on the shaft 1 of the electric motor is an electromagnet 2 which is energized by
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the winding 3 paroouru by the current of the rotor of a motor for example two-phase or polyphase.
With the motor operating normally, the electromagnet 2 attracts the plate-shaped element 4 which can slide on the shaft 1 but not rotate with it, which has the effect of compressing a coil spring 5 housed in the recess. 5 'of the electromagnet 2. The plate-shaped element 4 is provided with studs 6 which fit into corresponding oylindrical recesses 6' of the hub 7 which are absolutely rigid on the shaft. 'tree . Friction discs 8 are fitted on this hub with a view to sliding axially which, when the engine is running at full speed, themselves turn in the intervals oomprised between the rings) (fixed 9.
These rings 9 are supported by a few studs 10 which are made integral with the external structure of the electric motor by the intermediary of the rings 12, the support plate 13 and the screws 14, the said rings fitting perfectly. freely on the studs 10 so that they can slide axially over them under the influence of a force however small.
The brake discs 8, like the rings 9, are preferably made of a solid material, for example fiber, which however has a high coefficient of friction, and they can be internally reinforced by a non-metallic reinforcement. shown thanks to which their mechanical resistance is appreciably increased.
When the supply current to the electric motor is interrupted and the attractive action of the electromagnet 2 therefore ceases, the compressed spring 5 slides the plate-shaped magnetic element 4 in the direction of arrow a ( fig. 2), in which case the latter is applied by its entire surface on the ring 9 'and slides it to the left. As a result, the free ring 9 also slides to the left on the guide pin 10 until it clicks.
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comes into contact with the disc 8 and also moves the latter to the left until it comes into contact with the next fixed ring 9 ". This process is repeated until all the friction elements 8 and 9 have taken the position as in Fig. 2.
On first contact of the magnetic plate 4, the outer surface of which is coated with the same friction material which constitutes the friction elements 8 and 9, with the first ring 9 'there is already a certain slowing down of the movement due to the friction. ; this friction continues to increase as a result of the successive entry into action of the discs and rings 8 and 9 until the assembly they constitute is firmly against the support plate 13, which has the effect of producing a complete stop of the movement.
But the braking is carried out in a continuous and gentle manner without any bumps or irregularities whatsoever, which significantly contributes to ensuring a smooth operation and to sparing the moving parts of the entire apparatus. It is naturally necessary that in the external position which it occupies according to FIG. 2 the spring 5 still has sufficient pushing force so that the lifted load is immobilized in its position.
When the circuit is reestablished, the electromagnet 2 again attracts the magnetic plate 4 in the direction of the arrow b (fig. 1), so that the braking members 8 and 9 are pressed against each other. other. The engine gradually increases the friction between the various friction disks and rings 8 and 9, whereby its speed gradually increases to its normal value. The friction elements then automatically separate from each other sufficiently so that the rings 9 do not prevent the rotation of the discs 8 wedged on the motor shaft as long as they have not returned to the position shown in FIG, 1 .
The operating current of the electromagnet is supplied
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to the last oe terminals 15 from the rotor by oonduoteurs arranged in the recesses 16 of the shaft 1, the section of which can be weakened on this side since it does not transmit any torsional force. The shaft 1 ends with the usual square 17 serving to start the armature by hand by means of a crank.
The number of pairs of friction discs 8,9 depends on the magnitude of the torque that is to be braked, the time during which the motor under normal load must remain stationary for the maximum magnitude of the load, eto. But as the friction elements, unlike ordinary constructions, work bilaterally and apply against each other by their two ways, their number is reduced by half of that of ordinary similar friction brakes. Instead of a spring 5 it is of course also possible to use another applicator member of a construction known per se.
The brake according to the invention described above can be used both in the case of direct current and in partion in that of the alternating current, oar to the above-mentioned advantages is also added that the electromagnet 2 can at the same time serve as an automatic starter as will be described below.
When the stator winding is switched on, the current of the rotor flows through the coils 3 of the electromagnet, producing therein a magnetic field and opposing to the current a resistance such that the starting current of the stator increases. finds thereby weakened and then increases only gradually. The magnetic firing closes in the plate 4, so that during start-up, where the magnetic flux has reached its maximum value in the electromagnet, the maximum losses by hysteresis occur, the effect of which is to slow down electric thrust.
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The brake electromagnet therefore absorbs the necessary starting power and its large surface area radiates the energy consumed under a ton of heat. The brake solenoid therefore acts as an automatic starter in this case. When the starting of the motor is finished the winding of the rotor, that is to say in this case the coils of the electromagnet, are shortened by brass or bore rings 19 housed in the circulating element. 4 and the motor then rotates at its normal speed without the primitive losses by hysteresis occurring since the frequency has fallen almost to zero following the start of the motor.
According to the second embodiment, the electromagnets 1 serving to keep the brake in the released position as long as the supply of current is not interrupted, are according to FIG. 3 connected in series in each phase of the stator circuit of the asynchronous motor, and this for example between the switch 2 and the stator winding proper 3. The rotor 4 of the motor provided with fren according to the invention can be oourt-oirouité as shown in fig.
3 but can also be of any other type since the operating mode of the brake has nothing in common with the construction of the rotor. The electromagnets of phase 1 are traversed by the current at constant frequency of the network as long as its arrival is not interrupted, that is to say even when it is working under absolutely zero load, and it follows that the plate 5 (figs. 4 to 7) is immobilized in the position according to the fig. 4 for which the springs 6 arranged on the spacers 7,7 'and 7 "are compressed. This allows a rotational bonding of the shaft 8 of the motor which has a rigidly knurled hub 9 and on which the friction discs 10 can. slide axially but which are mounted in order to rotate with the hub as has been described above.
Discs not
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revolving threaded on the spacers 7, 7 ', 7 ", its-two also of the conventional construction described previously, so that the mode of operation of the so-called braking members is completely identical. If one interrupts would not be -whether in one phase the arrival of current in the stator of the motor, the electromagnets or, depending on the case, the leotro-magnet which is out of the box no longer attracts the disc 5 and the release of the energy of the compressed tripping member, for example of the spring 6, determines a continuous stopping of the motor.
When the blackout is restored, the engine starts and accelerates continuously to normal speed.
As the electromagnets 1 are connected in series in the stator circuit and are therefore affected by the frequency of the network, it is necessary to give them a layered construction in order to reduce the losses by hysteresis.
The coils, which are made up of a few windings
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elements 12 not too thick, are enraanoh1es on 1 element sheet 14 which, in order to obtain an undisturbed magnetic flux, presents a profile identical to that of the bundle of sheets 13 fixed on the plate 5, so that the dispersion is reduced to the point that the plates 5 and 16 on which the electromagnets are fixed must not be made of magnetically conductive material. The spacers 7,7 ', 7 "are on the one hand fixed on one of the faces of a support plate 15 integral with the motor casing and the opposite side (outside) they are supported by a plate 16 for this purpose to which the magnets 1 are attached. This plate is fitted with suitable openings 17.
The hub 9 can naturally receive a length greater than that determined by the preliminary calculation of the number of the discs 10, so that, if it is wished to further increase the operational reliability, a number can be fitted therein.
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suitable for additional discs 1 thus increasing the ef-
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fat of friotion.
The force of the springs 6 is co-ordinated in such a way that the motor is automatically braked in the event of interruption even of a single phase. Unlike the deorit mode of execution in the first place, the operation of the brake is completely independent of the current of the rotor.
The arrangement described is naturally given only by way of example and does not limit the scope of the invention.
The excitation by means of the stator current can advantageously be combined with the excitation by means of the rotor current. Finally, the arrangement according to the invention can also be applied in the case of other electric motors, for example direct current motors, where the electromagnets are preferably interposed in the shunt excitation winding.
Another variant of the oonstruotion of the brake according to the invention, as shown in Figs. 8 to 12, differs from the first two embodiments only in that the electromagnetic triggering of the braking action is incumbent on the brake, so that its mode of operation is completely independent of any electrical factor because it does not operates only on a purely mechanical principle.
Considering figs. 10 and 11, on the main control shaft 1 of the electric motor is fitted a final hub 2 partioipant in its movement but can also slide axially on it, this shaft being offset by means of a key sliding in the groove 3 of the shaft 1. The motor rotor is mounted absolutely loose on this shaft, and this in the bush 4 which carries the actual mass 5 of the rotor. The movement of the rotor is transmitted to the shaft 1 by means of the hub 2 to which it is made integral by the orabots 2 'and 4'. these dogs fit into each other whatever their position and their height is chosen so that even
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in the extreme positions (figs. 8 and 9) the connection of the rotor to the hub 2 is never interrupted.
The only ohose which varies in this case is the contact area between the orabots (hatched in figs. 8 and 9).
The stator 6 of the motor is of conventional construction and is rigidly connected to the casing of the machine. The brake then constitutes with the motor an indivisible whole since it is mounted in the casing of the electric motor, one of the covers of which is in this case constructed for this purpose and has a support surface intended for purposes which will be explained. thereafter. The hub 2 of the brake body is axially biased in the direction of, the sleeve 4 of the rotor, mounted loose on the shaft, by the spring or another suitable pressure member and its pressure is also transmitted by the orabots 2 'and 4' to the rotor, which therefore cannot move axially to the left, while its movement to the right is limited by the stop 8.
As a result, although the rotor is absolutely mad on the shaft, it cannot in any circumstance move axially therein.
The brake discs 8 guided by the grooves 8 'of the hub with which therefore they turn but on which they can also slide, as in the first two cases, are mounted on the sliding hub 2, 8 between the discs 8 are alternately inter-aligned the rings 9 carried by the rods 10 on which they are liorement enmanohes. In the brake itself, here again, with fixed discs alternating movable discs constructed exactly as has already been said. The rods 10 are fixed on the one hand in the cover of the engine and on the other in the bearing extension 12 against which the discs 8 and the rings 9 are tightened during braking and locking of the engine.
Ioi again the tree ends with the usual square 13
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intended for possible start-up by hand and is supported by the usual bearings 14; also carries, cut over a certain part of its length, helical notches 15 intended for the adjustment hole 16 which serves as a support for the compression spring 7, the force of which can be scraped at will by turning for this. 'éorou 16 within certain limits.
The orou 16 also carries on its outer faoe a robust spring 17 composed of a small number of turns and the object of which is to avoid an excessively violent ohoo during the application of the hub 2 or the extension 19 on the fixed stop faoe 18 (fig. 12) when the engine is running at full speed, as will be described in more detail.
The brake operating mode in this case is as follows:
When the rotor is at rest, the hub 2 applies with all its force P (fig. 8) on the socket 4 of the motor, so that the orabots 2 'and 4' would be forced to fully engage each other. the others along the solid line visible in FIG. 8 if the extension 19 (fig. 11) did not keep the hub 2 at a certain minimum distance from the socket 4. In this case the extension 19 tightens the elements of friotion against each other so that they bear as a whole integral with the support wall 12.
It follows from the explanations which have just been given that the force of the spring and the constitution of the discs 8 and of the rings 9 are chosen so that the motor as well as the load in the rest position are completely blocked. ie when the brake is applied, orabots 2 'and 4' (fig. 8) take the position indicated in dotted lines. However, there is then no axial force exerted on the rotor at the same time and the orabots only bear against each other freely by a single face.
If you now close the power supply circuit of the
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tor the rotor tends to rotate for example in the direction of arrow a (fig. 4), the orabots 2 ', 4' then acting on each other in the manner of ramps which tend to produce an axial displacement. By doing austraction of all the accessories one obtains by establishing the circuit the resulting radial force D which is exerted in the opposite direction to the force P of the spring. As long as the force P of the spring 7 is preponderant, the reciprocal position of the orabots 2 'and 4' does not change, but a pressure equal to the difference of these two forces is transmitted to the stop of the rotor.
But when the torsion force N of the rotor reaches the value for which the radial component D exceeds the force P of the spring, the orabots 2 'are released under the action of the resulting force R (fig. . 9), the area of oontaot between the orabots continues to decrease and if the movement of the dogs 2 ', and consequently of the whole of the hub 2, was not limited by the bearing faoe 10 there would be a complete interruption of the contact of these two elements. The orabots 2 'can therefore move axially only within the limits of the stroke H.
When the force P of the spring is unsuccessful - or by the action of the torque of the rotor, the clamping of the discs 8 and the rings 9 against each other also ceases at the same time, so that they move away from each other - of the others, which moreover allows the sliding of the hub 2, of a value equal to the Oourse H. This results in a continuous relief of the kidney and as the torsional force of the rotor increases, the latter begins to turn d At first slowly and its speed increases as a result of the successive disengagement of the elements of friotion until it reaches its normal value.
The axial force R increases constantly and so that the impact of the extension 19 against the fixed bearing faoe 18 constituted by the nut 16 serving at the same time to adjust the force of the spring is as low as possible. on its outer face (fig. 12) a robust spring 17 which either dampens or
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well completely prevents the impact of the extension 19 against the stop plate 18 because it itself absorbs all of the resulting axial force R.
Due to the fact that the sleeve 16 and the spring 17 participating in the rotation of the main shaft 1 of the motor, and this naturally at the same speed as the hub 2, there is no relative movement between these components of the brake. rotation, so that the bearing of the hub 2, that is to say of its extension 19 on the oror 16 or the spring 17 cannot cause auoune loss by friction.
When the supply of current to the stator is interrupted, the rotor itself gradually loses its speed, its life force gradually decreases until the force D falls below the magnitude of the force P of spring 7, the hub thus starting to approach the rotor progressively until the discs and the brake rings come into contact with each other and, just as with the electromagnetic brake, bring the motor to rest and block it in its braked position. The force of the spring 7 will be chosen according to the power of the motor and the size of the weight to be blocked, which also applies to the calculation and to the choice of material of the friction members 8 and 9.
The force of spring 7 should usefully be given a sufficient value so that in the event of a phase interruption and when, moreover, the motor would operate at reduced power or that for reasons of trouble its torque would decrease, the three-phase motor is stopped.
The automatic brake according to the present embodiment has all the advantages explained above with regard to the electromagnetic brake except for its operation as a starter, because in the case described last the brake, considered from the electrical point of view, is completely independent of the engine.
But the mechanical brake has another property from which the brakes according to the first two embodiments emerge, and which lies in the fact that they can be
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use not only with electric motors of all types but also with all drive machines without exception @@ finally also with devices which are only used for power transmission, such as 0 test the case for example for transmission gearboxes, worm screws, etc.
Considering that the mechanical brake according to the invention only works on the mechanical principle, it can be used in general anywhere where in some way the mechanical force is transmitted by means of a shaft rotating and mechanical transmission components co-operating with it. The brake according to the invention is of course not limited to any of the three pre-mediated construction modes described, which serve solely and exclusively as examples and in no way limit the scope of the invention.
From the arrangement described and the accompanying drawings it is visible that the automatic brake according to the invention. is characterized by its great operational reliability, its simplicity and its small dimensions, so that it can either be housed inside the casing of the electric motor, in which case it forms with the latter a single whole according to figs. 10 and 11, or attach it externally to the engine as shown in figs. 1 and 2.