<Desc/Clms Page number 1>
L'invention concerne des freins à friction, à commande électro- magnétique, tels que ceux utilisés par exemple pour les appareils de leva- ge ou destinés à être montés sur les moteurs électriques. Les freins de ce type doivent travailler par friction quand ils ne sont pas excités, et ils doivent être desserrés par des organes électr-magnétiques.
On connait pour cette application des freins à ressorts et à desserrage électro-magnétique, dans lesquels la force de serrage entre les pièces de friction est produite par un accumulateur d'énergie qui y est incorporé de préférence par la pression de ressorts tendus. Dans ces freins, l'électro-aimant ne sert qu'à desserrer le frein, l'un des éléments de l'ac- couplement étant écarté de l'autre par déplacement axial contre la pression des ressorts. L'entrefer nécessaire, initialement étroit, augmente avec l'usure de la garniture du frein. La force des ressorts et par conséquent le couple de freinage doivent être choisis suffisamment petits pour que la force de traction exercée par l'électro-aimant soit suffisante pour réali- ser le desserrage même avec l'entrefer maximum, qui peut atteindre plusieurs millimètres.
Ceci présente l'inconvénient de ne permettre d'obtenir, pour une dimension déterminée des freins à ressorts, qu'une fraction - en géné- ral inférieure à 25 % - du couple de freinage des freins électro-magnétiques.
Ces freins électro-magnétiques également connus, ne sont cités ici qu'à ti- tre de comparaison. A poids égal, ils permettent d'obtenir les couples de freinage les plus élevés. Ils ne peuvent cependant pas être utilisés pour la présente application, car ils ne travaillent par friction que lorsqu'ils sont excités. Les freins à ressorts connus présentent en outre l'inconvé- nient de nécessiter, après usure de la garniture du frein, un réglage pour rétablir l'entrefer initial.
On connaît également un frein dans lequel la force nécessaire pour établir la liaison par friction entre les éléments de l'accouplement est produite par un aimant permanent, qui est disposé avec une bobine électroma- gnétique dans l'élément fixe d'accouplement, et qui attire un disque de frei- nage ferromagnétique contre sa surface polaire , afin d'établir la liaison par friction. Lorsque l'électro-aimant est excité, il y a réduction du champ magnétique produit par l'aimant permanent. Pour séparer ensuite les éléments d'accouplement, il faut, dans le frein connu, des ressorts qui écartent l'un de l'autre lesdits éléments.
L'emploi de ces ressorts pré- sente toutefois l'inconvénient que le champ produit par l'aimant permanent, qui a été affaibli, au moment du desserrage du frein, par la formation de l'entrefer entre les deux éléments d'accouplement, doit travailler contre la force des ressorts lorsque l'électro-aimant est coupé. Dans cette for- me de réalisation connue, il y a donc une réduction importante de la for- ce d'attraction et par conséquent du couple de freinage, car le champ pro- duit par les aimants permanents connus, ayant la rémanence élevée nécessai- re pour en éviter la désaimantation, ne peut pas être supprimé totalement, ce qui rend nécessaire des ressorts d'écartement relativement puissants pour surmonter l'attraction magnétique résiduelle.
Un autre inconvénient inévitable lié à l'emploi de ressorts d'é- cartement réside dans un allongement du temps de réponse. En outre, ce frein est soumis à une usure importante et il nécessite des réglages réguliers, car il est à craindre que l'aimant permanent ne soit plus en mesure d'atti- rer le disque formant armature contre la force des ressorts, à travers l'en- trefer qui s'élargit. Si l'on utilise des garnitures de frein interchan- geables sur les surfaces polaires, ainsi qu'on l'a prévu pour ce type de construction connu, il en résulte une réduction importante du couple de freinage par suite de l'accroissement de la réluctance magnétique.
C'est pourquoi cette disposition ne peut être employée que pour les petits couples- de freinage, et que, pour le couple qu'elle permet d'obtenir, elle reste
<Desc/Clms Page number 2>
très inférieure aux freins électromagnatiques de dimensions et de poids comparables. L'objet de l'invention est un frein à commande électromagné- tique, qui travaille par friction lorsqu'il n'est pas excité, et qui ne présente pas les inconvénients des réalisations connues précédemment dé- crites ; en particulier, il travaille sans aucun ressort entre les pièces de friction ; n'est sujet à aucun allongement du temps de réponse ; ne nécessite aucun réglage ; il développe en outre un couple de freinage presque égal à celui du frein électromagnétique ;
il peut être ajusté pour différents couples de freinage, à l'aide de moyens simples, et in nvient pour les couples de freinage importants.
Ce résultat est obtenu, conformément à l'invention, par le con- cours de plusieurs dispositions. L'une de ces dispositions conforme à l'invention consiste à disposer un électro-aimant et un aimant permanent respectivement dans un élément différent de l'accouplement. On parvient ainsi à ce que les deux éléments de l'accouplement sont écartés l'un de l'autre par répulsion magnétique lorsque l'électro-aimant est excité, si bien qu'il n'y a pas besoin de ressorts et que l'on évite toute perte de couple de freinage.
Il n'est donc plus nécessaire que le champ produit par l'aimant permanent et affaibli par l'entrefer, surmonte la force de ressorts, lorsque le frein ou l'accouplement est actionné.'
Une autre disposition conforme à l'invention consiste à faire se toucher les pièces des deux éléments de l'accouplement qui guident les lignes de force magnétiques, au cours de la liaison par friction, et à réduire leur section au niveau des zones de contact. Sans augmenter sen- siblement la réluctance offerte au flux magnétique, on obtient ainsi, dans ces zones de passage, une densité maxima des lignes de force, ainsi donc qu'une induction maxima.
Comme la force d'attraction est proportionnelle au carré de l'induction et qu'elle augmente seulement linéairement avec l'aire de la section, on obtient grâce à cette réduction de la section un accroissement a peu près linéaire de ladite force d'attraction. De cette façon, pour un aimant permanent produisant un flux donné, on peut obtenir une force de traction ou un couple de freinage optimum. Ceci permet d'em- ployer un aimant permanent ayant une rémanence relativement faible. Les aimants permanents ayant une rémanence faible peuvent cependant être réali- sés avec un champ coercitif sensiblement plus élevé que celui des aimants permanents avant une rémanence élevée. Ces dispositions permettent donc d'employer des .aimants permanents ayant un champ coercitif élevé, tout en ayant une rémanence relativement faible.
C'est ce qui permet de disposer 1'électro-aimant et l'aimant permanent respectivement dans des éléments différents de l'accouplement pour produire une répulsion entre lesdits élé- ments, car les aimants permanents à rémanence élevée qui sont employés dans le type de frein connu, perdraient de la rémanence sous l'action d'un champ électromagnétique antagoniste d'égale intensité, par suite de leur champ coercitif faible.
Des aimants permanents présentant les propriétés réclamées par la présente invention sont par exemple des aimants permanents céramiques, qui sont réalisés à base d'oxydes métalliques, par exemple de polyoxydes de barium et de fer. Ces aimants permanents céramiques présentent un champ coercitif très élevé ; ils n'avaient cependant pas pu, jusqu'à présent, être employés d'une façon générale pour les freins et les accouplements, car ils ne présentaient pas la rémanence nécessaire pour les types de freins et d'accouplements précédemment connus.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, on prévoit pour modifier la réluctance magnétique, des pièces directrices mobiles les unes par rapport aux autres, dans au moins l'un des éléments de l'accouplement.
<Desc/Clms Page number 3>
La modification de la réluctance magnétique permet alors de régler simple- ment le couple de freinage ou d'accouplement en déplaçant ces pièces di- rectrices
Pour obtenir des résultats satisfaisants avec un électro-aimant le plus faible possible, on prévoit, suivant une autre caractéristique de l'invention, de composer l'aimant permanent de plusieurs aimants par- tiels, montés en parallèle au moyen de pièces directrices appropriées.
Ceci permet la production d'une répulsion entre les éléments de l'accouple- ment, au moyen d'un nombre relativement faible d'Ampère-tours de la bobine électromagnétique.
Dans une forme de réalisation préférée du frein ou de l'accouple- ment, l'aimant permanent et les pièces directrices qui'guident lé flux ma- gnétiqùe sont annulaires et concentriques à l'axe de rotation; et elles sont encastrées dans des pièces de préférence non aimantables.
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté schémati- quement au dessin annexé, plusieurs formes de réalisation du dispositif con- forme à l'invention.
Les figures 1 et 2 sont des coupes longitudinales de deux formes de réalisation différente d'un frein conforme à l'invention.
La figure 3 est une coupe longitudinale d'un frein, qui est formé par plusieurs aimants permanents du type de celui représenté sur la fig. 1.
La figure. 4 représente en coupe longitudinale un frein du même type que celui de la fige l,mais pourvu d'un dispositif pour ajuster le cou- ple de freinage et d'un dispositif pour compenser l'usure.
La fig. 5 est -une coupe longitudinale d'un frein du même type que celui représenté sur la fig. 2, mais dans lequel l'aimant permanent est com- posé de plusieurs aimants séparés, montés en parallèle.
Le frein représenté à la fig. 1 comprend un élément fixe 1 et un élément 3 solidaire en rotation de l'arbre 2 qui est à freiner, et suscepti- ble d'être déplacé axialement sur cet arbre. L'élément 3 est composé de plusieurs pièces assemblées rigidement entre elles. Au contact direct de l'arbre 2 se trouve un moyeu 4, que la surface cylindrique externe duquel est fixée une bague 5 en fer doux Sur la surface cylindrique externe de cette bague 5 est fixé un aimant permanent annulaire 6, dont la surface externe est solidaire d'une bague en fer doux 7 analogue à la bague 5. Sur la surface cylindrique externe de la bague 7 est fixée une pièce annulaire 8, dont la face plane également annulaire 8' coopère avec une garniture de friction 9 de l'élément l.
Dans un logement annulaire de l'élément 1 est fixée une bague 10 en fer doux, qui a une section en forme de U, dont les branches 10' sont dans le prolongement direct des bagues 5 et 7 de l'élément 3. Cette bague 10 est disposée de façon à ce que les faces en regard des branches 10' et des bagues 5 et 7 se touchent lorsque la face 8' de l'élément 3 est appli- quée contre la garniture de friction 9 de l'élément 1. Comme on peut le voir sur le dessin, la section des branches 10' et des bagues 5 et 7 est plus faible à proximité des faces en contact de ces pièces que dans leurs autres régions. Les bagues 5, 7 et 10 servent de pièces directrices pour guider les lignes de force magnétiquesde l'aimant permanent 6, qui est ai- manté de façon à ce que ses lignes de force internes soient radiales par rapport à l'arbre 2.
Grâce à la forme particulière de la section des ba- gues, on arrive à ce que la section des pièces directrices soit minima dans les zones où les lignes de force passent des pièces 5 et 7 de l'élément 3 aux pièces 10, 10' de l'élément l. Les pièces 5, 6, 7 et 10 forment un
<Desc/Clms Page number 4>
circuit magnétique fermé.
Dans la bague 10 est disposée une bobine annulaire 11 qui peut être alimentée en courant continu, et qui produit un champ d'intensité égale à celui produit par l'aimant permanent, mais de direction opposée.
Les pièces l, 4 et 8 sont réalisées de préférence en un matériau non magnétique, afin d'éviter le plus possible les fuites ou les dériva- tions magnétiques.
Le mode de fonctionnement de la forme de réalisation représentée à la fig. 1 est très simple. Lorsque la bobine 11 est alimentée en cou- rant, le oamp qu'elle produit s'oppose dans le circuit magnétique formé par les pièces 5, 6, 7 et 10, à celui produit par l'aimant permanent et l'annule en totalité. Les bagues 5 et 7 sont par suite repoussées par la bague 10, si bien que l'élément 3 d'accouplement se déplace axialement sur l'arbre 2 et s'éloigne un peu de l'élément l. Pour limiter ce mouvement on prévoit sur l'arbre 2 une bague d'arrêt 15. Comme les deux éléments d'accouplement s'écartant l'un de l'autre, il se forme, entre d'une part les pièces directrices 10' et d'autre part les pièces directrices 5 et 7, un entrefer qui réduit l'action démagnétisante de l'électro-aimant 11 sur l'aimant permanent 6.
Dès que le courant dans la bobine 11 est coupé, le champ électro- magnétique antagoniste s'annule, si bien que le circuit magnétique n'est plus aimanté que par l'aimant permanent 6. Par suite, les bagues 5 et 7 sont attirées vers la bague 10, de telle sorte que l'élément 3 se rapproche de l'élément 1 jusqu'à ce que sa face 8' appuie contre la garniture de fric- tion 9, et qu'il y ait freinage.
Comme les faces des bagues 5, 7. 10 qui glissent les unes sur les autres sont relativement petites, on n'obtient pas seulement un accroisse- ment de l'induction dans les zones de passage. Cette réduction des surfaces a aussi pour effet de rendre l'usure des pièces qui glissent les unes sur les autres plus rapide que celle de la garniture de friction 9. De cette usure plus rapide il résulte que la pression de la surface 8' sur la garni- ture de friction n'est réduite que faiblement par suite de ce que les faces des bagues 5, 7 et 10 se touchent.
L'exemple de réalisation représenté à la fig. 3 correspond pour l'essentiel à celui représenté sur la fig. 1. Pour éviter des répétitions, on a repéré les éléments de la force de réalisation de la fig. 3 qui cor- respondent à des éléments déjà décrits de la forme de réalisation de la fig. 1, par des chiffres de référence qui sont supérieurs de 100 par rapport à ceux employés sur la fig. l. Il suffit par suite d'indiquer les diffé- rences existant entre la forme de réalisation de la fige 3 et celle de la fig. 1. Contrairement à l'exemple de réalisation de la fig. 1, la pièce qui forme le moyeu de l'élément 103 s'étend jusqu'à la face 108'. Au lieu d'un seul aimant permanent 6, on prévoit trois aimants permanents 106a, 106b et 106c.
De façon analogue, les pièces directrices sont constituées par les bagues 105a, 105b et 1050, 107a, 107b et 107c, et 110a, 110b et 110c.
On prévoit en outre trois bobinages différents llla, lllb, 111c. Ceux-ci peuvent être reliés de façon connue, en parallèle ou en série, à la sour- ce de courant continu. Pour obtenir des champs de même direction au niveau des surfaces polaires, les aimants permanents 106a, 106b et 106c sont pla- cés les uns au-dessus des autres de façon à ce que leurs pôles de même nom soient tournés les uns vers les autres.
La fig. 2 représente un autre exemple de réalisation de l'objet de l'invention. Les pièces qui correspondent à celles de la fig. 1 sont repérées par des chiffres de référence, égaux à ceux de la première forme
<Desc/Clms Page number 5>
de réalisation, mais augmentés de 200. L'exemple de réalisation-de la fig. 2 diffère essentiellement de celui de la fige 1 en ce que, au lieu d'un aimant permanent dont les lignes de force internes sont disposées radiale- ment par rapport à l'arbre, on y a prévu un aimant permanent annulaire 206 dont les lignes de force internes sont orientées axialement. En conséquen- ce, les deux bagues 205 et 207 de l'élément 203 ont une constitution diffé- rente.
Comme on peut le voir sur la fig. 2, c'est la bague 207 qui est placée directement sur le moyeu non magnétique 204 et qui forme également la surface 208' destinée à coopérer avec une couronne de friction 209.
La bague 210, qui forme dans ce cas le second élément 201, est fixée di- rectement au bâti de la machine 213, et porte sur l'un de ses prolongements la couronne de friction 209.
Dans de nombreuses utilisations, il est souhaitable ou nécessaire de pouvoir régler le couple de freinage par des moyens simples..La forme de réalisation représentée à titre d'exemple sur la fig. 4 présente alors un intérêt particulier. Dans cette forme de réalisation, la réluctance ma- gnétique formée par les pièces directrices disposées entre l'aimant per- manent et l'électro-aimant peut être augmentée. Ceci présente l'important avantage de permettre d'ajuster la force de traction de l'aimant permanent, et par conséquent le couple de frottement, sans être obligé de modifier la bobine excitatrice. Comme le montre la fige 4, la bague directrice externe est constituée de deux parties 407 et 407', la pièce 407 étant fixée rigidement à l'élément 403.
L'aimant permanent 406 peut être déplacé axiale- ment sur la bague directrice interne'405, au moyen d'une douille filetée 417, et sa surface cylindrique externe supporte la bague directrice 407'.
En déplaçant axialement l'aimant permanent, on peut établir entre les bagues directrices 407 et 407' un entrefer de dimension quelconque, graôe auquel on peut régler le réluctance magnétique du circuit, et par conséquent le flux magnétique et la force de traction.La réluctance magnétique peut être éga- lement réglée sans formation d'un entrefer. A cet effet, les deux bagues sont en contact par des surfaces cylindriques concentriques à l'axe de rotation (non représentées sur le dessin). En déplaçant axialement la bague 407', on modifie les surfaces de contact et par conséquent la réluctance magné- tique. Comme on peut le voir sur la figo 4, la réluctance magnétique formée par les bagues 407 et 407' est disposée dans le flux magnétique entre l'ai- mant permanent 406 et 1'électro-aimant 411.
Il en résulte une réduction de l'action démagnétisante de l'électro-aimant sur l'aimant permanent.
On peut prévoir sur le moyeu 404 de l'élément mobile d'accouple- ment des organes élastiques 418 qui prennent appui sur la surface cylin- drique externe de la bague d'arrêt 415 et qui, quand la garniture de freina- ge est usée, viennent coopérer avec la face 415' de la bague d'arrêt 415, par suite du déplacement de l'élément 403 vers la gauche de la fig. 4, qui se produit alors. Dans l'exemple de réalisation représentée sur la fig.4, ces organes élastiques sont coudés et disposés les uns au-dessus des autres, de façon à ce que , suivant le degré d'usure de la garniture de friction 409, c'est le premier de ces organes qui vient en prise avec la face 415', ou l'un de ceux qui sont situés plus à droite.
Ces organes élastiques 418 sont fixés, dans l'exemple de réalisation de la figo 4, à une bague 419 qui peut être légèrement déplacée dans la direction axiale sur le moyeu 404. L'élément mobile 403 d'accouplement n'est donc pas gêné par les orga- nes 418 au moment du débrayage. Ce dispositif est particulièrement avanta- geux lorsque le frein est monté de façon telle que l'élément 403 pend vers le bas, et est écarté de l'élément fixe 401 par son propre poids au moment du desserrage du frein, jusqu'à une butée constituée par la bague d'arrêt 415.
Comme la section des bagues 5, 7 et 10 est minima dans les zones
<Desc/Clms Page number 6>
de passage des lignes de force, et que l'aimant permanent exerce son at- traction pratiquement sans entrefer, on peut utiliser pour les freins con- formes à l'invention, un aimant permanent ayant une rémanence relativement faible. La gamme des aimants permanents que l'on peut envisager en est considérablement élargie, si bien que leur choix peut être fondé exclusive- ment sur l'obtention d'un champ coercitif le plus élevé possible et d'une stabilité la plus parfaite possible. On a trouvé comme particulièrement appropriés des aimants permanents céramiques, fabriqués de préférence à base de polyoxydes de fer et de barium et/ou d'autres métaux.
Ceux-ci présentent en effet une rémanence relativement faible, tout en ayant un champ coercitif et une stabilité très grand .
La réluctance interne très élevée des aimants permanents cérami- ques rend malheureusement nécessaire la fourniture par l'électro-aimant d'un nombre relativement élevé d'Ampère-tours antagonistes pour produire la désaimantation. Il est donc avantageux de constituer l'aimant permanent par plusieurs aimants partiels présentant une faible épaisseur dans la direction des lignes de force, et connectés entre eux en parallèle. La fig. 5 représente un exemple d'une telle disposition, pour un frein dont la réalisation correspond à celle de la fig. 2. L'aimant permanent est constitué dans ce cas par 3 aimants partiels 306, 306', 306". Les pièces directrices sont également réalisées de façon analogue en plusieurs élé- ments, et elles présentent des sortes de lamelles 307' et 307", ou 305' et 305".
Pour un même volume de matière aimantée que dans le cas de la fig. 2, la désaimantation de l'aimant n'exige, conformément à la fig. 4, qu'une fraction des Ampère-tours de la bobine électromagnétique. La réali- sation de l'aimant permanent en plusieurs aimants partiels de faible épais- seur dans la direction des lignes de force peut bien entendu être également employée dans le cas d'aimants permanents aimantés radialement.
La présente invention permet donc de réaliser un nouveau frein à commande électromagnétique, fonctionnant lorsqu'il n'est pas excité, dont le rendement dépasse de beaucoup celui des freins à ressorts connus pour le même usage, et qui satisfait à toutes les exigences de sécurité grâce à l'emploi d'aimants permanents. Dans une forme de réalisation particulière- ment simple et de fonctionnement particulièrement sûr, aucun réglage n'est nécessaire pendant toute la durée de la garniture. Des essais ont montré que l'on peut obtenir sensiblement le même couple de freinage qu'avec des freins dans lesquels la force nécessaire pour établir la liaison par friction est produit3par un électro-aimant.
Il n'y a pas de limite supérieure à son emploi , puisque l'aimant permanent, quand il ne peut plus être exécuté d'une seule pièce, peut être constitué par un nombre quelconque de segments ou d'aimants partiels convenablement aimantés.
Au lieu de deux surfaces de friction 8' et 9 coopérant l'une avec l'autre, on peut aussi prévoir plusieurs surfaces de lamelles, ainsi que cela est connu d'une façon générale.
La présente invention peut être employée sans difficulté chaque fois que sont nécessaires des accouplements qui travaillent par friction lorsqu'ils ne sbnt pas excités, l'élément qui porte l'électro-aimant étant alors réalisé de façon à pouvoir tourner, et le courant lui étant amené par des bagues collectrices.
Le rétrécissement des pièces directrices 5, 7 et 10', au niveau des faces qui viennent s'appliquer les unes sur les autres au moment du freinage, présente les mêmes avantages que ci-dessus dans le cas de la forme de réalisation connue, dans laquelle l'électro-aimant et l'aimant permanent sont disposés dans un même élément de l'accouplement.