<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention a pour objet une machine électro-magnétique rotative utilisable comme frein et/ou comme convertisseur d'énergie mécani- que en énergie calorifique.
Cette machine comporte au moins un organe inducteur, ou stator, fixe, comprenant une série de pôles de polarités alternées, régulièrement espacés autour d'un axe, l'espace entre deux pôles consécutifs présentant une réluctance de valeur relativement élevée, et un organe susceptible d'être entraîné en rotation ou rotor, cylindrique creux, en métal conducteur et ma- gnétique, enveloppant le stator à faible distance de celui-ci, et coaxial avec lui, ledit rotor étant pourvu de perforations régulièrement réparties suivant des génératrices pour former des rangées rectilignes délimitant des bandes pleines formant joints magnétiques à faible réluctance entre les pô- les du stator, lesdites bandes constituant en cours de fonctionnement,
des conducteurs rectilignes de forte section parcourus par des courants de for- te intensité d'où résultent un couple résistant pouvant être utilisé pour un freinage et un dégagement d'énergie calorifique dont la majeure partie correspond à la conversion d'une partie de l'énergie mécanique appliquée au rotor.
Suivant un mode de réalisation préféré, le stator est formé de deux masses polaires, chacune de ces masses polaires comportant un moyeu fi- xe, et une série de bras radiaux coudés dont les portions d'extrémité forment une série de dents parallèles à l'axe de la machine, les deux masses étant disposées en regard l'une de l'autre et décalées angulairement de telle fa- çon que chaque dent de l'une s'intercale entre deux dents de l'autre sans les toucher, de manière à former une cage annulaire logeant une bobine d'ex- citation coaxiale avec l'appareil.
La machine est de préférence symétrique et comporte deux stators coaxiaux identiques symétriquement disposés et un seul rotor double de forme symétrique coiffant chacun desdits stators, le rotor étant monté sur un ar- bre d'entraînement traversant les masses polaires des stators.
Enfin, le rotor est muni, sur son pourtour d'ailettes ou nervures de refroidissement.
D'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé, sur lequel
La figure 1 est une vue en bout de cet appareil, avec coupe par- tielle ;
La figure 2 est une vue latérale, en coupe longitudinale, suivant la ligne 2-2 de la figure 1;
La figure 3 est une vue éclatée de l'appareil, les paliers d'extré- mité ayant été disposés au-dessous des parties magnétiques pour permettre une représentation à plus grande échelle de toutes les pièces de la machine;
Les figures 4 à 7 sont des vues développées des p8les du stator et des lignes de perforation du rotor, pour diverses positions successives du rotor, l'ensemble étant supposé vu de l'intérieur de la machine.
Selon le mode de réalisation représenté, la machine rotative est symétrique par rapport à l'axe géométrique de rotation XX, et par rapport à un plan perpendiculaire à cet axe. Elle comprend essentiellement deux sta- tors S,S' identiques et symétriquement disposés, et supportés à un certain écartement l'un de l'autre par des supports 1. Ces stators supportent des paliers 2 munis de roulements à billes ou à rouleaux 3 dans lesquels touril- lonne un arbre 4, sur le milieu duquel est claveté le rotor double R. Cet arbre traverse axialement les stators dans lesquels il tourne librement.
<Desc/Clms Page number 2>
Chacun des stators comprend deux masses polaires 5 et 6 en matériau magnéti- que ; la masse polaire 5 comprend un noyau cylindrique 7 alésé pour le passa- ge de l'arbre 4 et muni d'une douille de centrage 8 destinée à s'engager dans la masse polaire 6, et une série de p8les 9. Dans l'exemple représen- té, ces pôles sont au nombre de douze. Chacun de ces pôles comprend une por- tion constituée par un bras radial 10 et une portion 11 à 90 de celle-ci, parallèle à l'axe et dirigée vers le stator 6. Cette portion en forme de dent, se termine en biseau en 12. La masse polaire 6, opposée à la masse polaire 5 est de forme analogue mais ne comporte pas de noyau 7 ni de douil- le de centrage 8 ; son alésage central 13 est de diamètre suffisant pour re- cevoir la douille de centrage 8 de la masse 5.
Les intervalles entre pôles sont tels que lorsque les masses 5 et 6 sont rapprochées et assemblées, par exemple au moyen de tige filetées 14 et écrous 15 qui peuvent également ser- vir à fixer les paliers 2, les dents 11 de chaque masse s'intercalent entre les dents 11 de l'autre, des entrefers égaux et suffisants étant cependant ménagés entre les deux séries. L'écartement entre les deux masses¯est déter- miné par le noyau 7. L'ensemble ainsi formé par ces deux masses forme une sorte de cage dont l'espace annulaire interne est occupé par une bobine d'ex- citation toroïdale 15 l'axe des spires étant l'axe XX, de sorte que le flux de cette bobine est dirigé parallèlement à cet axe. Cette bobine comporte deux fils d'extrémités 16 reliés à deux bornes fixes (non représentées) per- mettant d'alimenter la bobine en courant continu.
Les masses 5 et 6 sont donc de polarités opposées ; les pôles de la masse 5 seront donc d'une certaine polarité, et tous les pôles de la masse 6, de la polarité inverse.
On a donc sur le pourtour de la cage fixe constituant le stator, une série de pôles de polarités alternées. Toutefois, les réluctances des entrefers sont relativement élevées ; ceci résulte notamment du fait que les faces la- térales des pôles opposés voisins ne se font face que sur une portion de leurs surfaces, en raison de leurs forces triangulaires inversées l'une par rapport à l'autreo Les flux de fuite (passant directement d'un pôle aux pô- les voisins) sont donc relativement minimes, et la majeure partie du flux se ferme par le joint magnétique constitué par le rotor ci-après décrit.
Bien entendu, tout ce qui a été précisé au sujet d'un stator est valable pour l'autre, puisque ces deux ensembles, symétriquement disposés, sont identiques.
La fixation de la machine sur les supports 1 s'effectue par exem- ple au moyen de vis la se vissant dans des trous taraudés ménagés dans cer- tains des pôles des stators.
Le rotor double R, symétrique par rapport à un plan médian perpen- diculaire à l'axe XX, comporte une roue 21 olavetée sur l'arbre 4, celui-ci pouvant être entraîné au moyen de poulies ou pignons fixés sur les extrémi- tés cannelées 22. Sur la jante 21a de la roue 21 est fixé le rotor propre- ment dit constitué par un cylindre 23, en métal magnétique et conducteur, tel que l'acier, s'étendant de part et d'autre de la jante pour coiffer les stators.
L'entrefer entre rotor et stators et l'épaisseur du rotor sont dé- terminés de telle manière que le rotor forme joint magnétique entre les pô- les du stator, c'est-à-dire de manière que la réluctance du circuit magnéti- que ainsi défini soit très inférieure à celle de l'entrefer entre inducteurs de polarités opposées.
Le flux de chaque pôle se divise évidemment en deux branches diri- gées respectivement vers chacun des pôles adjacents; le rotor est donc le siège d'un champ magnétique "fractionné'variable dans l'espace suivant la position de la directrice considérée sur le cylindre, la machine étant à l'arrêt.
<Desc/Clms Page number 3>
Suivant une caractéristique importante de l'invention, le rotor est divisé en bandes par des séries de perforations 24 réparties suivant des génératrices régulièrement espacées. Les bandes ainsi délimitées constituent de véritables conducteurs et également des portions de circuits magnétiques; les bandes comportant des rangées de trous constituent, au contraire, des portions à grande réluctance.
Le rotor est donc constitué par un ensemble de conducteurs à for- tes sections se déplaçant dans un champ magnétique variable dans l'espace.
Ces conducteurs sont donc parcourus par des courants de circulation qu'on peut déterminer avec précision lorsqu'on connaît la résistivité et la réluc- tivité du métal employé. Les sections des conducteurs étant relativement, grandes, l'intensité des courants ainsi produits peut atteindre une valeur élevée et produire par effet Joule un dégagement intense de chaleur. Ce dé- gagement d'énergie produit résulte d'une diminution de l'énergie mécanique qui se traduit par la présence d'un couple résistant qu'on peut également considérer comme résultant de l'interaction des champs sur les courants.
Ce couple peut atteindre une grande valeur.
Pour donner à ce couple une valeur plus constante, on donne aux pôles une section trapézoïdale (celle-ci étant observée de l'extérieur de la machine), comme visible sur la figure 3 et sur les développements d'un sta- tor et d'un demi-rotor représenté aux figures 4 à 7. Dans l'exemple réali- sé, la tangente du demi-angle au sommet est égale à environ 0,1. Les entre- fers sont donc représentés par des fentes obliques par rapport à l'axe de la machine, donc par rapport aux rangées de perforations du rotor. Il en résulte que le joint magnétique se forme progressivement au cours de la ro- tation du rotor.
D'après la figure 4, on voit que l'écart AB entre les rangs de perforations est égal aux 2/3 du pas polaire AC; en d'autres termes, il exis- te trois "conducteurs" entre deux pôles nord (ou deux pôles sud) consécutifs.
Lorsqu'un entrefer est recouvert par une bande pleine, l'entrefer voisin est recouvert par une bande perforée.
La figure 5 montre le rotor dans une position correspondant à la fermeture de l'entrefer E1 par une bande sans perforations et la réluctance est minima; sur la figure 7, l'entrefer E1 est recouvert par une bande per- forée; donc la réluctance est maxima; la figure 6 correspond à une position intermédiaire.
Il résulte de cette disposition que le couple est remarquablement constant pour une intensité d'excitation donnée.
Pour permettre une dissipation plus importante d'énergie calorifi- que, le rotor est, de préférence, muni sur sa périphérie de nervures ou ai- lettes de ventilation 31.
Lorsque le rotor est entraîné en rotation, il suffit donc d'alimen- ter les bobines d'excitation des stators pour obtenir un couple résistant freinant le dispositif entraînant l'arbre 4 ; ce couple peut être commandé par simple variation du courant d'excitation. Toutefois, il décroît avec la vitesse et ne peut permettre d'arrêter complètement le dispositif d'entrai- nement. La machine selon l'invention peut donc être avantageusement utili- sée comme frein ralentisseur sur des véhicules ou machines de types divers.
L'excitation peut notamment être commandée, manuellement ou auto- matiquement au moyen de l'installation décrite dans la demande de brevet dé- posée le même jour à la même minute que la présente demande, pour "Electro- valve" .
<Desc/Clms Page number 4>
Bien entendu, le rotor peut être entraîné, non pas nécessairement par son arbre, mais par sa périphérie, par exemple au moyen d'une couronne dentée montée sur le cylindre. Le fluide de refroidissement peut être con- stitué par un liquide; ce liquide peut être introduit par l'arbre creux et circuler à l'intérieur du rotor.
Cette machine peut être considérée comme un convertisseur d'éner- gie cinétique en énergie calorifique, la chaleur dissipée provenant en gran- de partie de l'énergie mécanique appliquée à la machine par le dispositif d'entraînement. On a donc ainsi la possibilité d'obtenir un dégagement de chaleur dans une enceinte où on ne dispose pratiquement que d'énergie méca- nique, à l'exception d'un faible appoint d'énergie électrique nécessaire pour l'excitation.
La puissance maxima de dissipation de la machine sera déterminée par des conditions de résistance mécanique, compte tenu notamment de la di- minution de la résistance mécanique des matériaux utilisés en fonction de l'élévation de température. Il est en outre évident que la température des stators et du rotor doit demeurer inférieure au "point de Curie" des maté- riaux magnétiques qui constituent ces organes.
Il est entendu que l'invention n'est pas limitée au mode de réa- lisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.
REVENDICATIONS.
1/ Machine électro-magnétique rotative utilisable comme frein et comme convertisseur d'énergie mécanique en énergie calorifique, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un organe inducteur, ou stator, (S ou S') fixe, comprenant une série de pôles (9) de polarités alternées, régulière- ment espacés autour d'un axe (4), l'espace entre deux pôles consécutifs pré- sentant une réluctance de valeur relativement élevée, et un'organe suscepti- ble d'être entraîné en rotation, ou rotor (R), cylindrique creux, en métal conducteur et magnétique, enveloppant le stator à faible distance de celui- ci, et coaxial avec lui, ledit rotor étant pourvu de perforations (24)
régu- lièrement réparties suivant des génératrices pour former des rangées reoti- lignes délimitant des bandes pleines formant joints magnétiques à faible ré- luctance entre les pôles du stator, lesdites bandes constituant en cours de fonctionnement des conducteurs rectilignes de forte section parcourus par des courants de forte intensité d'où résulte un couple résistant pouvant être utilisé pour un freinage et un dégagement d'énergie calorifique dont la ma- jeure partie correspond à la conversion d'une partie de l'énergie mécanique appliquée au rotor.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to a rotary electromagnetic machine usable as a brake and / or as a converter of mechanical energy into heat energy.
This machine comprises at least one inductor member, or stator, fixed, comprising a series of poles of alternating polarities, regularly spaced around an axis, the space between two consecutive poles having a reluctance of relatively high value, and a member capable of to be driven in rotation or rotor, hollow cylindrical, in conductive and magnetic metal, enveloping the stator at a short distance from the latter, and coaxial with it, said rotor being provided with perforations regularly distributed along generatrices to form rectilinear rows delimiting solid bands forming low reluctance magnetic seals between the poles of the stator, said bands constituting during operation,
rectilinear conductors of large cross-section through which currents of high intensity result, a resistive torque which can be used for braking and a release of heat energy, the major part of which corresponds to the conversion of part of the mechanical energy applied to the rotor.
According to a preferred embodiment, the stator is formed from two pole masses, each of these pole masses comprising a fixed hub, and a series of bent radial arms, the end portions of which form a series of teeth parallel to the pole. axis of the machine, the two masses being arranged opposite one another and angularly offset in such a way that each tooth of one is inserted between two teeth of the other without touching them, so in forming an annular cage housing an excitation coil coaxial with the apparatus.
The machine is preferably symmetrical and comprises two identical coaxial stators symmetrically arranged and a single double rotor of symmetrical shape covering each of said stators, the rotor being mounted on a drive shaft passing through the pole masses of the stators.
Finally, the rotor is provided on its periphery with cooling fins or ribs.
Other characteristics will become apparent during the description which follows, given with reference to the appended drawing, in which
Figure 1 is an end view of this apparatus, partially in section;
Figure 2 is a side view, in longitudinal section, taken on line 2-2 of Figure 1;
Fig. 3 is an exploded view of the apparatus, the end bearings having been disposed below the magnetic parts to allow a larger scale representation of all parts of the machine;
Figures 4 to 7 are developed views of the stator p8les and the perforation lines of the rotor, for various successive positions of the rotor, the assembly being assumed to be seen from inside the machine.
According to the embodiment shown, the rotary machine is symmetrical with respect to the geometric axis of rotation XX, and with respect to a plane perpendicular to this axis. It essentially comprises two identical and symmetrically arranged stators S, S ', and supported at a certain distance from each other by supports 1. These stators support bearings 2 provided with ball or roller bearings 3 in which rotates a shaft 4, on the middle of which is keyed the double rotor R. This shaft axially passes through the stators in which it rotates freely.
<Desc / Clms Page number 2>
Each of the stators comprises two pole masses 5 and 6 made of magnetic material; the pole mass 5 comprises a cylindrical core 7 bored for the passage of the shaft 4 and provided with a centering sleeve 8 intended to engage in the pole mass 6, and a series of poles 9. In the example shown, these poles are twelve in number. Each of these poles comprises a portion constituted by a radial arm 10 and a portion 11 to 90 thereof, parallel to the axis and directed towards the stator 6. This tooth-shaped portion ends in a bevel in 12. The pole mass 6, opposite the pole mass 5 is of similar shape but does not include a core 7 or a centering sleeve 8; its central bore 13 is of sufficient diameter to receive the centering sleeve 8 of the mass 5.
The intervals between poles are such that when the masses 5 and 6 are brought together and assembled, for example by means of threaded rods 14 and nuts 15 which can also be used to fix the bearings 2, the teeth 11 of each mass are interposed. between the teeth 11 of the other, equal and sufficient air gaps being however provided between the two series. The distance between the two masses ¯ is determined by the core 7. The assembly thus formed by these two masses forms a sort of cage, the internal annular space of which is occupied by a 15 l toroidal excitation coil. 'axis of the turns being the axis XX, so that the flow of this coil is directed parallel to this axis. This coil has two end wires 16 connected to two fixed terminals (not shown) making it possible to supply the coil with direct current.
The masses 5 and 6 are therefore of opposite polarities; the poles of the mass 5 will therefore be of a certain polarity, and all the poles of the mass 6, of the reverse polarity.
There is therefore on the periphery of the fixed cage constituting the stator, a series of poles of alternating polarities. However, the reluctances of the air gaps are relatively high; this results in particular from the fact that the lateral faces of the neighboring opposite poles face each other only on a portion of their surfaces, owing to their triangular forces reversed with respect to one another o The leakage flows (passing directly from one pole to the neighboring poles) are therefore relatively small, and the major part of the flux is closed by the magnetic seal formed by the rotor described below.
Of course, everything that has been specified about one stator is valid for the other, since these two sets, symmetrically arranged, are identical.
The machine is fixed to the supports 1, for example, by means of screws 1a screwed into threaded holes made in some of the poles of the stators.
The double rotor R, symmetrical with respect to a median plane perpendicular to the axis XX, comprises a wheel 21 olavetée on the shaft 4, the latter being able to be driven by means of pulleys or pinions fixed on the ends. splines 22. On the rim 21a of the wheel 21 is fixed the rotor itself constituted by a cylinder 23, in magnetic and conductive metal, such as steel, extending on either side of the rim to cap the stators.
The air gap between rotor and stators and the thickness of the rotor are determined in such a way that the rotor forms a magnetic seal between the poles of the stator, that is to say so that the reluctance of the magneti- that thus defined is much less than that of the air gap between inductors of opposite polarities.
The flow of each pole is obviously divided into two branches directed respectively towards each of the adjacent poles; the rotor is therefore the seat of a "fractionated" magnetic field which varies in space depending on the position of the director considered on the cylinder, the machine being stationary.
<Desc / Clms Page number 3>
According to an important characteristic of the invention, the rotor is divided into strips by series of perforations 24 distributed along regularly spaced generatrices. The strips thus delimited constitute real conductors and also portions of magnetic circuits; the bands comprising rows of holes constitute, on the contrary, high reluctance portions.
The rotor is therefore made up of a set of conductors with large sections moving in a variable magnetic field in space.
These conductors are therefore traversed by circulating currents which can be determined with precision when the resistivity and the reluctivity of the metal used are known. The cross-sections of the conductors being relatively large, the intensity of the currents thus produced can reach a high value and by the Joule effect produce an intense release of heat. This release of energy produced results from a reduction in mechanical energy which results in the presence of a resistive couple which can also be considered as resulting from the interaction of fields on currents.
This torque can achieve great value.
To give this torque a more constant value, we give the poles a trapezoidal section (this one being observed from outside the machine), as visible in figure 3 and on the developments of a stator and d a half-rotor shown in Figures 4 to 7. In the example shown, the tangent of the half-angle to the top is equal to about 0.1. The air gaps are therefore represented by slits oblique with respect to the axis of the machine, therefore with respect to the rows of perforations in the rotor. As a result, the magnetic seal is gradually formed during the rotation of the rotor.
From FIG. 4, it can be seen that the difference AB between the rows of perforations is equal to 2/3 of the pole pitch AC; in other words, there are three "conductors" between two consecutive north poles (or two south poles).
When an air gap is covered by a solid strip, the neighboring air gap is covered by a perforated strip.
FIG. 5 shows the rotor in a position corresponding to the closing of the air gap E1 by a strip without perforations and the reluctance is minimum; in FIG. 7, the air gap E1 is covered by a perforated strip; therefore the reluctance is maximum; FIG. 6 corresponds to an intermediate position.
It follows from this arrangement that the torque is remarkably constant for a given excitation intensity.
To allow greater dissipation of heat energy, the rotor is preferably provided on its periphery with ribs or ventilation fins 31.
When the rotor is driven in rotation, it is therefore sufficient to supply the excitation coils of the stators to obtain a resistive torque braking the device driving the shaft 4; this torque can be controlled by simply varying the excitation current. However, it decreases with speed and cannot make it possible to completely stop the training device. The machine according to the invention can therefore be advantageously used as a retarding brake on vehicles or machines of various types.
The excitation can in particular be controlled, manually or automatically by means of the installation described in the patent application filed on the same day at the same time as the present application, for “Electro-valve”.
<Desc / Clms Page number 4>
Of course, the rotor can be driven, not necessarily by its shaft, but by its periphery, for example by means of a toothed ring mounted on the cylinder. The cooling fluid can be constituted by a liquid; this liquid can be introduced by the hollow shaft and circulate inside the rotor.
This machine can be considered as a converter of kinetic energy into heat energy, the dissipated heat coming largely from the mechanical energy applied to the machine by the drive device. It is therefore possible to obtain a release of heat in an enclosure where practically only mechanical energy is available, with the exception of a small additional electrical energy required for the excitation.
The maximum dissipation power of the machine will be determined by conditions of mechanical strength, taking into account in particular the reduction in the mechanical strength of the materials used as a function of the rise in temperature. It is further evident that the temperature of the stators and the rotor must remain below the "Curie point" of the magnetic materials which constitute these members.
It is understood that the invention is not limited to the embodiment described and shown which has been given only by way of example.
CLAIMS.
1 / Rotating electromagnetic machine usable as a brake and as a converter of mechanical energy into heat energy, characterized in that it comprises at least one inductor member, or stator, (S or S '), fixed, comprising a series of poles (9) of alternating polarities, regularly spaced around an axis (4), the space between two consecutive poles exhibiting a reluctance of relatively high value, and a member capable of being driven in rotation , or rotor (R), cylindrical hollow, of conductive and magnetic metal, enveloping the stator at a short distance from the latter, and coaxial with it, said rotor being provided with perforations (24)
regularly distributed along generatrices to form reotilined rows delimiting solid bands forming low reluctance magnetic seals between the poles of the stator, said bands constituting, during operation, rectilinear conductors of large section through which currents of high current resulting in a resisting torque which can be used for braking and for releasing heat energy, the major part of which corresponds to the conversion of part of the mechanical energy applied to the rotor.