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PERFECTIONNEMENTS A UN APPAREIL A FRICTION ELECTROMAGNETIQUE.
La présente invention concerne les appareils à friction magnétiques du type à armature attirée en contact avec les pièces polaires d'un aimant sous l'effet du flux produit par un aimant permanent et relâchée par l'excitation d'une bobine produisant, dans les pièces polaires, un flux opposé à celui de l'aimant permanent.
L'invention a pour buts: d'assurer que l'armature d'un appareil à friction du type précité soit relâchée effectivement et complètement, malgré les variations normales du courant de la bobine, se produisant en cours d'utilisation à cause des changements de température de l'appareil ou des variations de la tension appliquée à la bobine; d'atteindre le but précité par une disposition simple de la partie en dérivation du circuit du flux auxiliaire par rapport à la bobine et au circuit du flux principal passant par les pièces polaires; de maintenir en place la bobine et de construire la partie en dérivation du circuit du flux auxiliaire de manière qu'en substance, toutes les lignes de force de la bobine passent par la dérivation et que celleci soit saturée quand les flux de la bobine et de l'aimant permanent passant par les pièces polaires sont égaux et opposés;
de maintenir un léger entrefer de longueur axiale constante entre l'armature et les pièces polaires, dans la position ouverte de l'appareil, par l'utilisation d'un compensateur d'usure qui s'écarte, par effet de ressort, l'armature des pièces polaires, l'effort élastique étant inférieur à la force d'attraction exercée par l'aimant permanent.
L'invention consiste en un appareil magnétique de friction comprenant une armature voisine des surfaces annulaires d'un noyau en matière
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aimantable, et un ou plusieurs aimants permanents logés dans le noyau, l'armature, le noyau et les aimants constituant deux circuits magnétiques toroi- daux, l'un ayant une réluctance relativement élevée et passant par les aimants et le noyau, l'autre ayant une reluctance relativement faible et passant par les aimants et l'armature.
La figure 1 des dessins annexés est une coupe partielle de l'appareil magnétique de friction, suivant la ligne 1-1 de la figure 2.
La figure 2 est une coupe partielle suivant la ligne 2-2 de la figure 1.
La figure 3 est une coupe partielle, à échelle agrandie, semblable à la figure 1 et montrant les parties occupant d'autres positionso
Les figures 4, 5 et 6 sont des vues schématiques montrant les sens des lignes de force dans l'aimant, pour différents cas.
La figure 7 est un graphique donnant une partie de la courbe d'hystérésis de l'aimant permanent et des variations du flux dans les circuits magnétiques principal et auxiliaire, pour différents cas.
La figure 8 est un graphique montrant des variations dans le couple produit par l'appareil, suite à des variations de la force magnétomotrice de la bobine.
Quoique de nombreuses modifications et variantes puissent être apportées à l'invention, une seule forme d'exécution est représentée aux dessins et décrite en détail ci-après.
Il va de soi cependant que l'invention n'est pas limitée à cette description mais que toutes les modifications et variantes ne sortent pas du cadre de l'invention défini dans les revendications annexées.
Sur les dessins, l'invention est représentée appliquée, à titre d'exemple, à un frein électromagnétique à friction comprenant, de façon générale, une armature rotative 10 ayant la forme d'une bague plate en fer magnétique et un noyau 11 en matière magnétique composé de deux pièces polaires concentriques radialement espacées 12 et 13 terminées d'un côté par des faces 14 situées dans un plan commun. Les pièces polaires sont pontées par l'armature et se trouvent à ras de la face extérieure de la pièce antiusure 15 constituée par des segments logés dans les pièces polaires contre des épaulements 16. Afin de donner au noyau 11 une forme de section transversale en U, les extrémités opposées des pièces polaires sont réunies par une couronne d'extrémité 17 dont le bord extérieur fait de préférence corps avec la pièce polaire extérieure 12.
Dans la présente forme d'exécution, la pièce polaire intérieure 13 consiste en une pièce séparée, solidement fixée contre le bord intérieur de la couronne d'extrémité 17 dont un mince rebord 18 est rabattu dans un creux 20 dans la pièce polaire.
Le flux magnétique nécessaire pour mettre en prise le noyau 11 et l'armature 10 est produit par un aimant permanent 22. Pour relâcher le frein, on excite un enroulement ou bobinage 23 logé à l'intérieur du noyau de manière à produire un champ magnétique entre les pièces polaires opposé à celui de. l'aimant permanent. Ce dernier est disposé dans le noyau 11 de façon à constituer deux circuits magnétiques parallèles 24 et 25 (voir figure 4) passant tous deux par l'aimant permanent.
Le circuit magnétique principal va de l'aimant permanent aux pièces polaires et le circuit secondaire ou auxiliaire 25 se ferme par la couronne arrière 17 du noyau, en dérivation avec les pièces polaires.
Dans le cas considéré, l'aimant permanent 22 est constitué par une série de barrettes plates radiales disposées circonférentiellement
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autour du noyau très proches les unes des autres, ayant chacune une extrémité extérieure courbe s'adaptant avec précision contre une face intérieure 26 usinée sur la pièce polaire extérieure 12. L'extrémité intérieure de chaque barrette est incurvée de façon à s'adapter avec précision contre la périphérie extérieure d'une bague plate 27 en matière magnétique faisant partie du noyau et qui, associée aux barettes, détermine un chemin magnétique qui ponte les pièces polaires et fait partie à la fois du circuit magnétique principal 24 et du circuit magnétique auxiliaire 25.
La périphérie intérieure de la bague 27, usinée en conséquence, s'adapte sur une surface intérieure usinée de la pièce polaire intérieure 13. Les barrettes magnétiques 22 sont faites en une matière magnétique permanente convenable comme un alliage aluminium-nickel-cobalt., tandis que tout le noyau 11, y compris la bague 27, est fait en une matière à faible réluctance,comme l'acier doux recuit.
On peut évidemment, si on le désire, utiliser un aimant unique ayant la forme d'une bague annulaire, au lieu de la série d'aimants permanents séparés. Le fonctionnement de l'appareil de friction est représenté à la figure 7, où le flux est donné en fonction de la force magnétomotrice.
Une courbe 29 représente une partie de la courbe d'hystérésis de l'aimant permanent 22, tandis que les courbes 30 et 31 donnent les valeurs relatives du flux dans les circuits principal 24 et auxiliaire 25, pour différentes valeurs de la force magnétomotrice de l'aimant permanent et celle du flux de la bobine 23 qui est directement proportionnel au courant qui traverse cette dernière. Pour aimanter l'ensemble, une grande force magnétomotrice est appliquée extérieurement et entre les pièces polaires 14. Quand cette force est supprimée, la magnétisation de l'aimant permanent diminue suivant la courbe 29 jusqu'à un point 32 qui représente un point de débit maximum de 1' aimant, déterminé par la force d'aimantation, les dimensions de l'aimant permanent et les reluctances des circuits magnétiques.
Dans ces conditions, si l'armature est écartée, en substance toutes les lignes de force de l'aimant permanent passent par le circuit auxiliaire, et aucune ne passe par les pièces polaires, à cause du grand entrefer qui les sépare.
Si la relectance du circuit magnétique principal 24 diminue, à cause du rapprochement de l'armature 10 et des pièces polaires 14, le point de fonctionnement de l'aimant permanent se déplace le long d'une courbe d'hystérésis mineure 33 jusqu'au point 35 qui correspond au cas où l'armature est pleinement en contact avec les pièces polaires. Au point de fonctionnement 35, les lignes de force de l'aimant permanent se subdivisent entre les circuits principal 24 et auxilaire 25, comme le montre la figure 4, dans des proportions indiquées à la figure 7 en 36 et 37 et inversement proportionnelles aux relue- tances des circuits.
Comme seules les lignes de force du circuit magnétique principal servent à produire le couple, une grande partie du flux de l'aimant permanent est confinée dans le circuit principal, en intercalant un entrefer 34 dans le circuit auxiliaire qui donne à celui-ci une réluctance plus élevée qu'au circuit principal. Dans le cas considéré, la réluctance du circuit principal est environ égale au quart de la reluctance du circuit auxiliaire, @@@ @ @ @ @ @ de façon que le flux du circuit principal soit égal environ aux quatre cinquièmes du flux total de l' aimant permanent, au point de fonctionnement.
L'entrefer 34 a une épaisseur d'environ 0,008 pouce (0,2 mm); il est délimité par les faces opposées de la bague d'extrémité 17 et de la pièce polaire intérieure 13 et est constitué d'une mince épaisseur de matière non magnétique, comme du laiton.
Pendant que l'armature 10 s'approche des pièces polaires 14, le flux dans le circuit principal 24 augmente suivant la courbe 30, au fur et à mesure que la reluctance du circuit diminue, le flux dans le circuit auxiliaire 25 diminuant suivant la courbe 31. Comme le flux du circuit principal augmente de zéro à une valeur, en 36, supérieure à la valeur, en 37, du flux du circuit auxiliaire, les courbes 30 et 31 se croisent en un point 39 où les flux et les reluctances des deux circuits sont égaux.
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Quand la bobine 23 est excitée, la force magnéto-motrice appliquée par celle-ci relève le flux de dérivation à la valeur indiquée en 38 et abaisse le flux principal le long de la courbe 30 jusqu'à zéro, au point 40. Cet état est représenté à la figure 6,et on peut voir que le flux de la bobine dans le circuit principal 24 est égal et opposé au flux de l'aimant permanent, de façon que ces deux flux s'annulent et produisent un flux résultant nul dans le circuit principal.
Afin que l'armature 10 soit effectivement relâchée par l'excitation de la bobine 23, la présente invention, suivant un de ses aspects, envisage de lier la bobine 23 au circuit de dérivation 25 et de construire la partie du noyau 11 correspondant à cette dérivation de façon à réduire la sensibilité de l'appareil aux variations du courant dans la bobine 23.
A cet effet, la bobine est située de manière à enclore une partie du circuit de dérivation, afin qu'en substance toutes les lignes de force de la bobine passent par'cette dérivation. Les caractéristiques magnétiques de la partie du noyau déterminant la dérivation sont en outre liées au reste du circuit magnétique du noyau, l'aimant permanent 22 et l'armature 10, de façon qu'au moins une partie de la dérivation soit saturée quand le flux résultant dans le circuit principal est, en substance, égal à zéro, comme représenté à la figure 6 et indiqué à la figure 7, en 40.
A ce moment, la force magnétomotrice produiteentre pièces polaires 14 par l'excitation de la bobine est opposée et sensiblement égale à la force magnétomotrice entre pièces polaires due à l'aimant permanent,et la quantité de lignes de force, indiquée en 38 à la figure 7, passant; à ce moment, par la dérivation est égale à la somme environ du flux de l'aimant permament dans le circuit de dérivation et du flux total produit par l'excitation de la bobine.
Dans la forme d'exécution de l'invention représentée aux dessins, la bobine 23 consiste en un enroulement à spires multiples d'environ 1.350 tours logé à l'intérieur du noyau 11 entre l'extrémité fermée 17 du noyau et l'aimant permanent 22 et rigidement fixé au moyen d'une matière de remplissage dure non magnétique 41 constituant un support pour l'aimant permanent et sa bague associée 27. La bobine étant logée de cette façon, la partie de la dérivation qu'elle enclôt est la partie 'de la pièce polaire intérieure 13 comprise entre la couronne d'extrémité 17 et le pourtour intérieur de la bague d'extrémité 27 du noyau 11.
En substance, tout le flux produit par l'excitation de la bobine passe par la partie de dérivation du circuit 25, puis il se subdivise,comme la figure 5 le montre, entre l'aimant permanent et les pièces polaires, la partie du flux de la bobine passant par les pièces polaires agissant dans le sens indiqué par les flèches et opposé au flux de l'aimant permanent, tandis que la partie passant par l'aimant permanent agit dans le même sens que le flux de l'aimant permanent.
Au point 40 de flux zéro dans le circuit principal, le flux passant par le circuit de dérivation est égal à celui de l'aimant permanent et a la valeur indiquée en 38 à la figure 7, valeur supérieure à la valeur 35 du flux de l'aimant permanent à son point de fonctionnement-, puisque le flux de la bobine passant par l'aimant permanent fait croître le flux total le long de la courbe mineure d'hystérisis 33, du point de fonctionnement au point 38. C'est en ce point ci de flux plus élevé, que le circuit de dérivation doit commencer à se saturer.
La saturation voulue de la partie de dérivation du circuit auxiliaire 25 est obtenue ici en réduisant le circuit par un étranglement 43 voisin du creux 20 dans la pièce polaire intérieure 13, grâce auquel, pour un flux égal à la valeur 38 du flux d'aimant permanent correspondant au point de relâchement de l'armature, la densité de flux, à l'étranglement, atteint le point de saturation de la matière dans laquelle cet étranglement est fait. Dans le cas présent, l'étranglement 43, fait en fer doux recuit, devient saturé pour une densité de flux d'environ 125.000 lignes par pouce carré (20.000 lignes par cm2).
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Avec cette forme de dérivation et de disposition de bobine 23, quand le courant dans la bobine augmente de zéro à une certaine valeur, le flux dans le circuit principal 24 diminue d'abord rapidement le long de la courbe 30 (voir figure 7), venant de son point de fonctionnement 36 et atteignant une valeur 44. A partir de ce point, la courbe 30 s'aplatit, de sorte qu'un accroissement donné du courant à cet endroit provoque une diminution moindre du flux du circuit principal qu'autour du point de fonctionnement 35. Cet aplatissement de la courbe 30 du flux du circuit principal est dû à ce qu'à cet endroit, le flux du circuit de dérivation atteint la valeur de satura- tion de l'étranglement 43.
L'effet de saturation de ce dernier augmente la reluctance du circuit de dérivation traversé, en substance, par tout le flux produit par la bobine, à cause de l'emplacement judicieux de celle-ci. Au point de saturation, toute augmentation du courant d'excitation de la bobine produit une augmentation de la reluctance du circuit de dérivation et une augmentation moindre du flux produit pour une augmentation donnée du courant d'excitation.
En augmentant continuellement le courant d'excitation au delà du point où la courbe 30 du flux du circuit principal commence à s'aplatir, on amène le flux du circuit principal au point 40 de valeur zéro.
. En ce point 40, la courbe 30 est très aplatie, et toute variation de courant d'excitation ne provoque qu'une très petite variation de la force d'attraction des pièces polaires 14 sur l'armature 10. Ceci est intéressant, en ce que les variations de courant d'excitation dues aux variations de température et de tension n'ont que très peu d'influence sur le couple exercé par l'appareil.
Dans un appareil à friction du type représenté aux dessins dont le diamètre hors tout est d'environ 10 pouces (25 cm), un couple voulu d'environ 1500 pouces-livres (1900 kg-cm) est atteint, quand la valeur 36 du flux du circuit principal au point de fonctionnement est environ égale à 380.000 lignes par pouce carré (59.000 lignes par cm2), la valeur 37 du flux de dérivation, à ce point, étant d'environ 100.000 lignes par pouce carré (15.500 lignes par cm2), de sorte que le flux total, dans l'aimant permanent, est égal à environ 480.000 lignes par pouce carré (74.500 lignes par cm2), au point 35 sur la courbe mineure d'hystérésis 33. Au point de relâchement 38, le flux de dérivation, égal à celui dans l'aimant permanent, vaut environ 500.000 lignes par pouce carré (77.600 lignes par cm2).
Cette valeur constituant le point de saturation de l'étranglement 43, ce dernier a une section d'environ 4,0 pouces carrés (26 cm2) et une densité de flux d'environ 125.000 lignes par pouce carré (20.000 lignes par cm2), à la saturation. Un aimant permanent 22 de dimensions satisfaisantes pour produire la force magnétomotrice voulue, aura une longueur radiale de 9/16 pouce (14 mm) et une section transversale totale de 7,5 pouces carrés (49 cm2).
Afin d'améliorer encore les conditions de relâchement dans les appareils du type considéré, l'invention suivant un autre de ses aspects, envisage un montage tel du noyau 11 et de l'armature 10, que le couple exercé par l'appareil soit réduit à zéro dans une plage étendue de valeurs de courant d'excitation de part et d'autre du point 40 de valeur zéro du flux du circuit principal. Ceci est obtenu en maintenant l'armature et le noyau écartés l'un de l'autre par une force élastique nettement inférieure à la force d'attraction maximum exercée par l'aimant permanent 22, les deux étant séparés par un entrefer 46 de longueur axiale constante déterminée indépendante du degré d' usure des surfaces de friction de l'appareil.
La force d'attraction de l'aimant permanent est liée à la force de séparation du noyau et de l'armature et à l'entrefer qui les sépare dans leur position de desserrage de façon que le frein soit desserré quand le flux du circuit principal atteint son point 40 de valeur zéro et de façon que l'aimant permanent puisse vaincre la reluctance de l'entrefer 46 et la force élastique de séparation de manière à serrer le frein, quand la bobine est désexcitée.
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Quand le noyau 11 et l'armature 10 sont montés de la façon précitée, le fonctionnement de l'appareil est celui représenté à la figure 8 dont la courbe 47 donne le couple exercé en fonction de la force magnétomotrice de la bobine proportionnelle au courant d'excitation de la bobine 23.
Le couple exercé est maximum au point de fonctionnement 35, la bobine étant désexcitée, mais il décroît rapidement le long de la courbe 47 en réponse à l'augmentation du courant d'excitation de la bobine, jusqu'à ce qu'il atteigne un point 48, d'où la courbe tombe verticalement à zéro, au point 49.
En ce dernier point, le courant d'excitation est inférieur à sa valeur correspondant au point 40 de flux de circuit principal nul, mais l'armature est écartée axialement du noyau, parce que la force d'attraction du flux du circuit principal est légèrement inférieure à la force élastique de séparation de l'armature du noyau. Les mêmes points sur les courbes des figures 7 et 8, portent les mêmes références.
Quand le courant d'excitation augmente au delà du point 49 et dépasse le point 40 ou le courant atteint sa valeur normale de déclenchement, le couple exercé reste nul jusqu'à ce que la force magnétomotrice de la bobine atteigne une valeur indiquée en 50 suffisante pour que le flux dans les pièces polaires surmonte la force élastique et la reluctance de l'entrefer 46 en plus du flux de l'aimant permament 22, et qu'il attire l'armature contre les pièces polaires. La valeur de la force magnétomotrice au point 50 est anormale et notablement supérieure à la valeur de travail de la force magnétomotrice de la bobine au point 40 de flux de circuit principal nul, ainsi qu'à la force magnétomotrice maximum admissible, indiquée en 50a.
Quand la bobine est coupée, après surexcitation de ce genre, le couple soit une courbe représentée par la ligne en pointillé de la figure 8, atteignant la valeur zéro en un point 51, où l'armature est relâchée et s'écarte des pièces polaires. Le couple reste alors nul jusqu'à ce que la force magnétomotrice de la bobine descende sous sa valeur correspondant au point 49 et atteigne une valeur indiquée en 57. A ce point, la force magnétomotrice de la bobine est assez faible, pour que le flux du circuit principal surmonte à la fois la force élastique et la reluctance de l'entrefer 46, et qu'il attire l'armature contre les pièces polaires.
Cette valeur du flux de circuit principal est supérieure à sa valeur au point 48, parce que le flux doit vaincre l'entrefer 46, en plus des forces de séparation de l'armature de l'entrefer. Il ressort clairement qu'on obtient ainsi un fonctionnement d'une grande stabilité, puisqu'une fois l'armature relâchée, la force magnétomotrice de la bobine peut varier dans une étendue $ entre les points 50 et 57, de part et d'autre du-point 40, sans attirer 1' armature et sans que le couple ne change sa valeur zéro.
Dans la forme d'exécution considérée, le noyau 11 est monté fixé, en brasant, par exemple, la couronne d'extrémité 17 sur une plaque 52 boulonnée à un support fixe, tandis que la bague d'armature 10 est fixée sur un dique 54 monté de façon à pouvoir tourner et à pouvoir se déplacer axialement par rapport au noyau. Le disque 54 est brasé sur une couronne 55 percée de plusieurs ouvertures espacées circonférentiellement, dans lesquelles sont logés de façon rigide des manchons 56 parallèles à l'axe du noyau. L'armature est empêchée de se déplacer librement dans le sens axial par des goujons à têtes 58 glissés dans les manchons 56 et vissés dans un support 59 fixe axialement par rapport au noyau et solidaire d'un arbre de rotation 60 ou autre pièce à laquelle le couple de freinage doit être appliqué.
La force élastique de séparation de l'armature 10 est produite par plusieurs ressorts de compression 61, un par goujon 58 enroulé autour de celui-ci et portant, par un bout, contre la tête 62 et, par l'autre bout, contre la surface extérieure d'une rondelle emboutie 63 qui encercle le goujon et dont le bord extérieur rentré 64 est appliqué contre la couronne 55. Sur son autre face, chaque rondelle présente une butée 65 (figure 3) qui, lorsque la rondelle est appliquée contre la couronne 55, est écartée axialement de celle-ci
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et fait face à une butée 66 constituée par le bord intérieur du manchon 56.
L'écartement de l'armature 10 du noyau est limité par des butées sous la forme de bagues fendues 68 élastiques en contact avec les butées 65 et encerclant une grande partie du pourtour des goujons 58 de manière à agripper ceux-ci avec une force de frottement supérieure à celle des ressorts mais inférieure à la force d'attraction exercée par l'aimant permanent. Les bagues sont logées entre les butées 65 et 66 distantes l'une de l'autre de l'épaisseur axiale de chaque bague plus l'entrefer 46 voulu égal, ici, à environ 1/32 pouce (0, 8 mm).
Afin d'empêcher que l'armature 10 ne s'écarte de la butée 68 quand le frein est laché, un ressort de compression 69 plus faible que le ressort 61 est enrou.- lé autour du manchon 56, de manière à porter, à un bout, contre le support d'armature 59 et, à l'autre bout, contre le disque 54. Chaque ressort 69 exerce une force d'environ une demi-livre (250 grammes) opposée aux 2 ou 4 livres (1 ou 2 kilogs) de chaque ressort 61, la résultante des deux forces étant la force élastique que l'aimant permanent doit vaincre, en plus de la reluctance de l'entrefer 46, pour serrer le frein.
Quand la bobine 23 est désexcitée, l'armature est attirée contre les pièces polaires 14, et les manchons 56 sont amenés contre les butées 68.
Quand les surfaces de friction de l'armature et du noyau s'usent, les butées se déplacent le long des goujons sous l'effet des manchons de manière à compenser cette usure, de sorte que, lorsque l'armature est relâchée, les butées viennent en contact avec les goujons dans leurs positions réglées et la longueur de l'entrefer, et donc sa reluctance restent constantes. On s'assure ainsi que l'aimant permanent soit capable de surmonter l'entrefer et les ressorts,de manière à attirer l'armature contre les pièces polaires 14, malgré l'usure des surfaces de friction de l'appareil.
Il est clair que l'appareil magnétique à friction décrit ci-dessus a une grande stabilité de fonctionnement. Ceci est dû à la construction et à la disposition de l'étranglement saturable 43 et de la bobine 23 qui permettent au courant d'exitation de varier dans de larges limites autour du point 40 de flux de circuit principal nul, sans autre effet que des variations négligeables de la force d'attraction des pièces polaires 14 sur l'armature 10.
En outre, un autre perfectionnement de la caractéristique de fonctionnement de l'appareil est assuré par un dispositif de rattrapage automatique d'usure, comprenant les butées 68 et les ressorts 61 et 69 qui non seulement assurent le desserrage du frein toujours au même point sur la courbe 30 du flux de circuit principal, chaque fois que la bobine 23 est excitée, mais augmentent, en outre, la gamme de variation permise du courant d'excitation.
REVENDICATIONS.
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1.- Appareil à friction magnétique comprenant une armature voisine de surfaces annulaires d'un noyau en matière aimantable, et un ou plusieurs aimants permanents logés à l'intérieur du noyau, l'armature, le noyau et les aimants constituant deux circuits magnétiques toroïdaux, un circuit, de reluctance relativement élevée, passant par les aimants et le noyau, l'autre circuit, de reluctance relativement faible, passant par les aimants et l'armature.