Patin électromagnétique.
La présente invention se rapporte à un patin électromagnétique utilisable en particulier pour le freinage d'un véhicule ferroviaire par application sur
le rail de roulement en acier de ce véhicule.
Les patins de ce type comportent une série de patins frotteurs élémentaires constitués d'un noyau ferromagnétique dont les deux faces polaires, (nord et
sud) séparées par un entrefer vertical sont appliquées
sur le rail. Au moment du freinage, le noyau ferromagnétique coopère avec au moins une bobine excitatrice parcourue par un courant électrique continu qui provoque l'attraction magnétique des faces polaires par la surface de roulement du rail qui ferme le circuit magnétique.
L'effort d'attraction entre les faces polaires
et le rail se développe de façon pratiquement indépendante de l'adhérence des roues du véhicule ferroviaira sur le rail, à l'exception de l'effort initial d'application du patin sur le rail généralement supérieur au double de l'action de la pesanteur sur le patin magnétique et son système de suspension et de rappel en position inactive
à distance du rail.
L'effort d'attraction entre le patin et le rail peut atteindre des valeurs très importantes qui représentent plus de 20 fois l'action de la pesanteur sur le patin et son système de suspension et de rappel et qui peuvent être voisines de celles de l'effort d'application sur le rail des roues d'un bogie ferroviaire encadrant ce patin. A titre d'exemple, on peut indiquer que les deux patins magnétiques d'un bogie ferroviaire pèsent environ 1/2 tonne avec leur équipement mobile d'application et de relevage mais peuvent être appliqués sur le rail par l'attraction électromagnétique avec un effort d'attraction maximal d'environ 14 000 daN.
Les efforts retardateurs obtenus avec de tels patins au cours des essais de freinage ne dépassent en général pas des valeurs de 1.000 à 1.200 décanewtons (daN) ce qui traduit un coefficient de frotte-
-..ment relativement faible entre la surface de friction des patins et le rail ainsi qu'une diminution de l'induction traversant la surface du rail lorsque le patin se déplace sur le rail.
En dépit de ces performances de freinage apparemment modestes, les patins magnétiques de freinage sont de plus en plus utilisés sur les véhicules ferroviaires rapides destinés au transport de voyageurs car leur usage, d'une part ne sollicite pratiquement pas d'adhérence entre les roues et le rail et réduit les distances d'arrêt dans les pires conditions d'adhérence, et d'autre part, peut être considéré comme de sécurité lorsque les patins sont appliqués automatiquement en cas de freinage d'urgence et sont alimentés en courant continu par les batteries de bord du véhicule. L'usage des patins magnétiques sur les véhicules ferroviaires légers pour
le transport des voyageurs, tels que les trams, a toujours été très prisé car dans une telle application, il est possible d'alimenter le bobinage d'excitation électrique à grande puissance par prélèvement direct ou quasi-direct sur la caténaire à courant continu généralement à 600V,
et la charge des bogies plus limitée, permet d'atteindre en-freinage d'urgence des décélérations voisines de
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De nombreux perfectionnements ont été proposés et/ou appliqués pour améliorer les performances de freinage des patins magnétiques. L'augmentation de l'excitation électrique ne peut être envisagée par suite de la quasi saturation des circuits magnétiques, non plus que l'augmentation des dimensions en largeur et en longueur qui se heurtent, respectivement à la largeur limitée du champignon du rail de roulement et à l'espace disponible entre les deux roues du bogie en dehors duquel il ne saurait être question de transmettre au véhicule les forces frottantes appliquées par le rail au patin. Un autre perfectionnement a consisté à ajouter entre les pôles magnétiques du patin, notamment dans l'entrefer entre ces deux pôles, des garnitures de friction à coefficient de frottement élevé.
De telles garnitures se sont révélées pratiquement ineffi-caces car, ou bien leur effort d'application sur le rail est faible, ou bien la perméabilité entre les pôles du patin magnétique et le rail en est sérieusement affectée et le gain sur le coefficient de frottement est pratiquement annulé par la diminution de l'effort d'application magnétique du patin sur le rail.
L'un des buts de la présente invention est de réaliser un patin magnétique, d'une part compatible avec les exigences actuelles de poids, d'encombrement, de puissance d'excitation électrique et de coût pour les bogies des véhicules ferroviaires destinés au transport de voyageurs et, d'autre part, dont les performances effectives de freinage sur la voie sont améliorées de façon considérable.
A cet effet, le patin électromagnétique utilisable en particulier pour le freinage d'un véhicule ferroviaire
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véhicule, du type comportant au moins un patin frotteur élémentaire constitué d'un noyau ferromagnétique dont les deux faces polaires (nord et sud) séparées par un entrefer vertical sont susceptibles de venir s'appliquer sur le rail, le noyau coopérant avec au moins une bobine exci-
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faces polaires par la surface de roulement du rail qui ferme alors le circuit magnétique; est caractérisé en ce que le noyau ferromagnétique et ses faces polaires
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en un matériau à haute perméabilité magnétique tel que de l'acier doux tandis qu'une plaque en un matériau à bonne
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et de bonne résistance mécanique tel qu'une poudre agglomérée et frittée à base de fer doux ou de ferrites est rapportée et fixée rigidement sur chaque face polaire pour venir s'interposer, lorsque le patin est appliqué sur le rail de roulement, entre la surface de ce rail et la face
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matériau de frottement le plus généralement utilisé jusqu' ici pour réaliser les faces polaires était une fonte de frottement à bonne perméabilité magnétique mais qui néanmoins ne supportait pas des inductions aussi élevées que l'acier doux. Grâce à l'invention, il est possible de réaliser le circuit magnétique principalement en acier doux à haute perméabilité et de bénéficier vraiment d'un coefficient de friction élevé entre la surface des pôles et le rail. Des matériaux frittés existent déjà qui possèdent une perméabilité élevée et un coefficient de frottement compris
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matériau entre les faces polaires et le rail devrait permettre de tripler les forces freinantes obtenues avec les patins magnétiques sans augmenter leur poids, encombrement et excitation électrique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau à bonne perméabilité magnétique et à coefficient de friction élevé possède également des propriétés de ma-
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exercé par le rail de roulement sans interdire le rappel du patin magnétique en position inactive après coupure du courant de la bobine excitatrice. Un patin doté d'un léger magnétisme rémanant peut être appliqué sur le rail sans excitation électrique pendant le freinage de service du véhicule aux fins de nettoyer la surface du rail mouil-
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le rail d'un tel patin peut être réalisée par l'action de la pression de freinage du véhicule agissant sur un ou
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friction élevé du matériau de frottement des pôles permet d'obtenir des forces freinantes sensibles et un nettoyage efficace de la surface du rail sans que le rappel du patin en position inactive à distance du rail, n'exige des efforts de rappel plus importants que ceux des ressorts de rappel habituellement utilisés capables d'exercer
un effort de rappel sensiblement égal à deux fois l'action de la pesanteur sur le patin et la partie mobile de son système de suspension et de rappel.
Pour diminuer réchauffement de la surface du rail en cas de défilement d'une longue rame de véhicules freinas par patins magnétiques, le matériau à bonne perméabilité magnétique et à coefficient de friction élevé peut posséder également une bonne conductibilité thermique et être relié à au moins un bloc d'accumulation de chaleur apte à diminuer au cours du freinage l'échauffement du matériau à bonne conductibilité thermique et, par voie de conséquence du rail.
En variante, le matériau à bonne perméabilité magnétique et à coefficient de friction élevé peut posséder des qualités de fragmentation à l'abrasion par friction (du type de celles de la fonte des sabots de freins ferroviaires) permettant d'évacuer dans les fragments d'abrasion une part importante de la chaleur de frottement dégagée au cours de la friction du patin sur le rail.
Selon une autre caractéristique importante de l'invention, .le matériau à bonne perméabilité magnétique et à coefficient de friction élevé est doté également
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couche mince sur les faces polaires par un moyen d'accrochage tel qu'une projection de métallisation.
Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à former le matériau à bonne perméabilité magnétique et à coefficient de friction élevé en un bloc massif de patin de friction à haute perméabilité magnétique fixé de façon amovible sur chacune des faces polaires par tout moyen réalisant la continuité du circuit magnétique traversant le noyau ferromagnétique. En perfec-
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patin de friction correspondant aux deux pales (nord
et sud) d'un patin frotteur élémentaire peuvent être assemblés en un monobloc unique, d'une part constitué
des deux blocs de patin séparés par une bande continue
en matériau(x) amagnétique(s) pour constituer l'entrefer entre les deux pales, d'autre part, fixé de façon amovible entre et sur les deux faces polaires par tout moyen réalisant la continuité du circuit magnétique. La bande continue en matériau(x) amagnétique(s) peut contenir un bloc d'accumulation de chaleur tel qu'une cire fusible e t présenter une section évaséè en direction de la bobine d'excitation pour former un entrefer de largeur minimale
à la sortie entre les deux pales du monobloc unique du côté du rail.
Selon un mode de réalisation particulièrement compact et novateur, la bande continue en matériau(x) amagnétique(s) est solidarisée par frittage aux deux blocs de patin de friction correspondant aux deux pôles et le monobloc unique est d'une part, serré et assemblé de façon amovible par tout moyen approprié tel que des vis entre les faces polaires latérales opposées ménagées
sur chaque pôle du noyau magnétique et d'autre part, en appui par chacune de ces faces latérales sur une autre face polaire ménagée parallèlement à la surface du rail
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présentent de préférence une hauteur .Limitée permettant, en position inactive du patin magnétique monté sur le véhicule ferroviaire, de dégager vers le rail ou respectivement d'engager depuis le rail, le monobloc unique après dépose des moyens d'assemblage de ce monobloc sur les pôles du noyau magnétique. En variante, les monoblocs uniques peuvent être glissés latéralement entre les deux faces polaires latérales opposées ménagées sur chaque pôle du noyau après dépose de leurs moyens d'assemblage sur les pôles du noyau magnétique, jusqu'à une position latérale hors du patin magnétique pour permettre la pose et/ou la dépose des monoblocs parallèlement au rail.
Pour l'assemblage sur le noyau magnétique, les deux faces latérales opposées ménagées sur chaque pôle du noyau peuvent être inclinés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal du patin et former deux surfaces de retenue pour le monobloc unique assemblé en queue d'aronde entre les deux faces polaires du noyau ferromagnétique.
<EMI ID=15.1> amagnétique(s) du monobloc unique peut être munie de
dents et/ou saillies aptes à coopérer avec des dents et/ou saillies conjuguées ménagées sur une enveloppe rigide de la bobine excitatrice afin de transmettre à cette enveloppe rigide les efforts de friction développés par le rail
sur la partie du monobloc unique en contact avec le rail.
D'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre faite à titre non limitatif et en regard du dessin où :
- - Les figures 1 et 2 représentent en coupe transversale deux modes de réalisation différents du patin électromagnétique selon l'invention appliqué en position de freinage sur le rail de roulement d'un véhicule ferroviaire.
- La figure 3 est une vue en élévation partielle d'un bogie de véhicule ferroviaire équipé de patins électromagnétiques conformes à l'invention-
En référence à la figure 3 qui représente un patin en service sur un véhicule, le repère 1 désigne un patin électromagnétique supporté par le bogie 2 d'un
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4b de deux cylindres de relevage dont l'action est schématisée par des flèches 4. Des bobines annulaires d'excitation 6, logées a l'intérieur d'une enveloppe rigide 5, sont alignées dans le sens longitudinal du rail 3. Ces bobines présentent un plan vertical de symétrie 7 (voir les figures 1 et 2) s'étendant sur toute la hauteur du patin et sensiblement confondu en service avec le plan de symétrie longitudinal du rail 3. Le patin 1 comporte une série de patins frotteurs élémentaires 8 montés en ligne et disposés entre deux éléments de tête 9 le long de l'enveloppe rigide 5 formant châssis porteur de manière que chaque patin élémentaire soit associé à sa propre bobine 6.
Les patins élémentaires d'extrémité 9 sont pourvus chacun d'un chanfrein
18 leur permettant d'engager le rail 3 progressivement et de franchir ainsi sans accrochage une discontinuité brutale de la surface de roulement telle qu'un joint de rail ou un raccord d'aiguillage.
Si l'on se réfère maintenant à la figure 1, on voit que chaque patin élémentaire 8 appliqué sur la surfa-
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noyau ferromagnétique en forme de U renversé., dont les deux branches 10 partent de l'ouverture centrale 6a de la bobine 6 vers le rail 3 en épaulant cette bobine 6
de part et d'autre de manière à former à l'une de leur extrémité deux faces polaires 11, qui viennent en face de la surface supérieure du rail 3 perpendiculairement à l'axe longitudinal de celui-ci. Les deux branches du U passent horizontalement à travers l'ouverture centrale de la bobine 6 et viennent s'appliquer l'une sur l'autre sur une surface d'appui 12, plane et sans entrefer pour constituer le circuit magnétique de chaque patin élémentaire 8 en deux parties aisément amovibles 13 et 14 de part et d'autre du plan de symétrie 7-
Chaque partie 13 ou 14 comporte à sa base un embout de friction 15 rentrant sous la bobine 6, dirigé verticalement vers le rail 3 et maintenu à l'écart de l'embout homologue de l'autre partie 13 ou 14 au moyen d'une bande de séparation le" en un matériau amagnétique tel que du laiton ou de l'acier inoxydable. Les deux parties amovibles 13 et 14 constituant le noyau ferromagnétique de chaque patin élémentaire 8, sont serrées l'une sur l'autre directement par la surface d'appui 12 et sur la bande de séparation 16 par des boulons transversaux 17, dont l'un traverse la surface 12 et peut être réalisé en un matériau à haute perméabilité magnétique tandis que l'autre, passant dans un espace ménagé
à la base de la bobine 6, traverse respectivement les parties en retrait 15 des branches 10 et la bande de séparation 16 et doit impérativement être réalisé en un matériau amagnétique tel que de l'acier inoxydable pour éviter un court-circuit magnétique de l'entrefer constitué par la bande 16.
Conformément à l'invention, les faces polaires 11 des parties 13 et 14 sont couvertes d'une plaque mince
19 en un matériau de bonne perméabilité magnétique, de coefficient de friction élevé, de bonne résistance mécanique et doté d'une bonne résistance à l'abrasion. De telles plaques sont maintenant réalisées par la métallurgie des poudres, notamment par frittage mais leur accrochage qui peut être réalisé par des vis fixées perpendiculairement à la surface de roulement du rail 3, présente des dificultés lorsqu'elles sont de faible épaisseur. Dans le cas où le matériau interposé entre la surface
du rail et les faces polaires présente une grande résistance à l'abrasion, on peut envisager de l'accrocher sur ces faces polaires en couche mince par métallisation, c'est-à- dire projection à grande vitesse d'impact sous forme de particules fondues ou microfondues.
Lorsque le patin magnétique représenté sur la figure 1 est appliqué en position active sur le rail et glisse sur celui-ci, la bobine 6 est parcourue par un courant continu fournissant un grand nombre d'ampèrestours d'excitation capables de quasi-saturer le circuit magnétique fermé sur les parties 13 et 14 et sur le rail où le flux magnétique entre par l'une des faces polaires 11 et ressort par l'autre en réalisant dans le rail un parcours en forme d'arcs de cercles concentriques représentés en traits fins 20. La bande de séparation 16 et la tige amagnétique du boulon inférieur 17 obligent
en effet le flux magnétique à traverser préférentiellement le rail relativement plus perméable aux lignes de force pour relier les pôles nord et sud des faces polaires 11. L'induction élevée qui traverse la surface
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effort d'attraction magnétique très important entre les plaques 19 et cette surface du rail. L'effort d'application des plaques 19 sur le rail peut ainsi atteindre pour les plus longs patins magnétiques des valeurs statiques de 7.000 à 10.000 daN. Le déplacement rapide du patin magnétique sur le rail induit dans celui-ci des courants de Foucault qui réduisent l'induction magnétique traversant la surface du rail mais le coefficient de friction élevé des plaques 19 provoque un effort de freinage important appliqué par le champignon 3a du rail aux plaques 19 qui le transmettent aux parties 13 et 14 du noyau ferromagnétique qui vient alors en appui sur les faces latérales de l'ouverture 6a de la bobine 6 contenue dans l'enveloppe rigide 5 qui vient en butée sur le châssis du bogie 2 du véhicule.
Les patins magnétiques de type connu comportent des noyaux ferromagnétiques qui sont, soit massifs en
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en acier moulé à très bonne perméabilité magnétique avec des patins de friction rapportés en fonte de frottement
de perméabilité magnétique moyenne. La perméabilité du circuit magnétique de tels noyaux reste inférieure à
celle obtenue avec les patins magnétiques représentés
sur la figure 1. Un tel avantage permet d'augmenter
de façon sensible l'induction magnétique traversant la surface du rail et de bénéficier d'efforts d'attraction nettement plus importants du fait que ces efforts d'attraction sont proportionnels au carré de l'induction. Dans
de tels patins, l'effort de retenue par les courants de Foucault est minoré le plus possible pour privilégier l'action du frottement entre les plaques 19 à haut coefficient de frottement (0,2 à 0,4) et le rail dont
la rugosité de surface augmente après le passage abrasif du patin magnétique du premier bogie d'un train, ce qui augmente l'efficacité des patins suivants.
Le patin magnétique représenté en coupe sur la figure 2 reprend certains éléments de celui représenté sur la figure 1. Les éléments identiques portent les
mêmes références et concernent la bobine d'excitation 6, les branches 10 du noyau ferromagnétique en deux parties
13 et 14 et leur surface d'appui commune 12.
Pour des raisons de facilité de démontage
depuis le côté extérieur (partie 14) du patin par rapport <EMI ID=20.1>
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en acier doux moulé étant munie de trous taraudés pour recevoir les embouts filetés de ces vis 17. L'embout 15 à la base des parties 13 et 14 du noyau magnétique n'est pas prolongé en direction du rail mais est muni de deux faces d'appui perpendiculaires entre elles respectivement, 21 parallèle au plan de symétrie 7 et 22, parallèle à la surface de roulement du rail.
Selon l'invention, un bloc massif de friction
23 comportant deux pôles massifs 24 et 25 en un matériau de bonne perméabilité magnétique à coefficient de friction élevé et de bonne résistance mécanique (par exemple moulés par la métallurgie des poudres et une opération de frittage, en un monobloc unique 23 comportant une bande de séparation 26 constituant l'entrefer entre les deux pôles 11) est assemblée sur le noyau magnétique par
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serré entre les deux faces 21 par les vis inférieures 17 traversant avec jeu un alésage 27 ménagé par exemple par moulaga dans le bloc 23. La bande de séparation 26 est réalisée en un matériau amagnétique par tout moyen convenable, notamment par la métallurgie des poudres et
<EMI ID=24.1> <EMI ID=25.1> sur la figure = Cette section évasée permet d'une part de disposer d'un entrefer de grande longueur au voisinage de la bobine 6 dans une zone risquant le plus les court-
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part de réduire à une faible largeur l'entrefer entre les deux pôles au voisinage de la surface de friction sur le rail. Cette disposition permet d'augmenter la surface de contact entre les patins de friction et le rail et d'augmenter l'induction traversant cette surface et partant d'augmenter l'effort d'attraction entre le patin magnétique et le rail. Les monoblocs 23 montés <EMI ID=27.1>
18 déjà décrit en référence à a figure 3, et d'un aileron latéral extérieure 28 permettant au monobloc de se raccrocher au rail dans le cas où, au moment de l'application du patin en direction du rail, un choc transversal déporte latéralement l'ensemble des deux patins magnétiques d'un bogie reliés entre eux par un cadre de butée frontale et latérale sur le châssis de bogie.
Lorsque le patin magnétique représenté sur la figure 2 est appliqué en position active sur le rail et glisse sur celui-ci, la bobine 6 étant parcourue par un courant continu d'excitation, le flux magnétique traverse les faces 21 et 22 pratiquement sans entrefer, s'étale dans le pôle massif 25 de bonne perméabilité magnétique, entre par l'une des faces polaires 11 et ressort par l'autre en réalisant dans le rail un parcours en forme d'arcs de cercles concentriques représentés en traits <EMI ID=28.1>
14 du noyau, sans traverser la bande de séparation 26 constituant un entrefer de largeur variable. L'attraction
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rail produit des efforts de frottement importants par suite du coefficient de frottement élevé du matériau fritté constituant les pôles et du matériau amagnétique constituant la bande de séparation 26. Dans cette version, il est possible d'utiliser pour le bloc massif 23 des
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dans le cas de la figure 1 car le changement des blocs
23 peut s'opérer aisément sur le patin monté sur le bogie
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17 en acier inoxydable et de faire descendre les blocs 23 sur le rail avec un levier, le patin magnétique étant en position inactive haute telle que représenté sur- la figure
3. On peut alors retirer latéralement les blocs 23 si
la hauteur de descente sur le rail est supérieure à la hauteur de la face 21. Dans le cas où cette face 21 est plus haute que l'espace libre entre la face polaire 11 et et le rail, on peut sortir les blocs 23 en les faisant glisser, après desserras'9 des vis inférieures 17, entre les faces 21 jusqu'à une extrémité libre du patin au-
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ment que les pôles massifs 24 et 25 peuvent être entière ment séparés de la bande 26 sur laquelle ils sont serrés par les vis inférieures 17. La bande 26 peut présenter diverses sections transversales, notamment une section rectangulaire de type connu facilitant le serrage des pôles massifs entre les deux faces 21 et elle peut être munie de dents et/ou de saillies coopérant avec des dents et/ou saillies conjuguées ménagées sur l'enveloppe rigide 5 réalisée de préférence en tôle d'acier inoxydable pour limiter les fuites magnétiques.
On doit comprendre également que le jeu prévu entre l'alésage 27 et chaque vis 17 qui le traverse permet de serrer énergiquement les pôles massifs 24 et 25 entre
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le sens vertical de ces pôles lorsqu'ils sont portés à température élevée par la friction sur le rail. Pour réduire l'échauffement du rail et de ces pôles au cours du freinage, on peut prévoir que le matériau qui les constitue possède des qualités de fragmentation à l'abrasion pour évacuer (comme la fonte phosphoreuse des sabots de frein ferroviaire) une partie de la chaleur de frottement dans les fragments d'abrasion portés alors au rouge ou bien que la bande de séparation 26 contient un bloc d'accumulation de chaleur en matériau amagnétique tel qu'une cire fusible.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés. Elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Ainsi, dans le cas où le patin �gnétique
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tés à haute température par le frottement sur le rail, on peut prévoir des faces -21 inclinées symétriquement par rapport à l'axe 7 pour former deux surfaces de retenue
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par les faces 22 au cours du freinage. Dans une telle disposition, le circuit magnétique présente un léger
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d'appui 22. Le bloc 23 et les pôles 24 et 25 peuvent se dilater librement dans tous les sens par rapport au
noyau magnétique en acier doux. Une telle disposition
se révèle particulièrement avantageuse lorsque les coefficients de dilatation des noyaux et du bloc 23 sont très différents mais exige des vis inférieures 17 relativement solides pour faire face aux efforts de torsion
et d'ouverture appliqués à ce noyau lorsque le patin magnétique est en service sur le rail. L'utilisation
de monoblocs 23 à queue d'aronde exige le montage par glissement latéral de ces monoblocs à partir de l'une des extrémités du patin magnétique.
L'utilisation de patins magnétiques dotés de parties frottantes, soit très résistantes à l'abrasion comme les plaques minces 19 de la figure 1, soit très faciles
à remplacer sur le patin en service comme les �noblocs
23 de la figure 2, permet d'utiliser de tels patins
en freinage de service. Dans cette application, la modérabilité du freinage, à défaut d'une modulation du courant
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pourrait être obtenue, comme décrit précédemment, en appliquant le patin sur le rail par l'action de la pression de freinage agissant sur au moins un piston d'application des patins à l'encontre des ressorts et autres moyens de rappel de ce patin en position inactive. Comme décrit auparavant, cette action de freinage par patin de frottement pourrait être renforcée par des aimants permanents d'excitation n'interdisant pas le rappel des patins en position inactive, l'inconvénient bien connu des aimants permanents en service ferroviaire étant cependant d'accrocher toutes les particules ferromagnatiques passant à leur voisinage.
Une autre variante consiste à prévoir pour le matériau des pôles 24 et 25 et éventuellement de la bande de séparation 26, une structure relativement élastique, ce qui peut s'obtenir en laissant des vides entre les grains de matériau frittes. Une telle structure élastique permet à la face polaire 11 de mieux épouser la surface du rail de roulement sous l'action de l'effort d'attraction
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en service et les efforts d'attraction magnétique et de freinage du patin sur le rail.
REVENDICATIONS
1.- Patin électromagnétique utilisable en particulier pour le freinage d'un véhicule ferroviaire par application sur le rail de roulement en acier de ce véhicule, du type comportant au moins un patin frotteur élémentaire constitué d'un noyau ferromagnétique dont
les deux faces polaires (nord et sud) séparées par un entrefer vertical sont susceptibles de venir s'appliquer sur le rail, le noyau coopérant avec au moins une bobine excitatrice apte à provoquer l'attraction magnétique de
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qui ferme alors le circuit magnétique, caractérisé en
ce que le noyau ferromagnétique et ses faces polaires susceptibles de s'appliquer sur le rail sont réalisés
en un matériau à haute perméabilité magnétique tel que
de l'acier doux tandis qu'une plaque en un matériau à bonne perméabilité magnétique, à coefficient de friction élevé et de bonne résistance mécanique tel qu'une poudre agglomérée et frittée à base de fer doux ou de ferrites est rapportée et fixée rigidement sur chaque face polaire pour venir s'interposer, lorsque le patin est appliqué sur le rail de roulement, entre la surface de
ce rail et le matériau à haute perméabilité magnétique
de la face polaire.
Electromagnetic pad.
The present invention relates to an electromagnetic pad usable in particular for braking a rail vehicle by application to
the steel running rail of this vehicle.
Skates of this type comprise a series of elementary friction pads consisting of a ferromagnetic core, the two polar faces of which (north and
south) separated by a vertical air gap are applied
on the rail. At the time of braking, the ferromagnetic core cooperates with at least one excitation coil traversed by a direct electric current which causes the magnetic attraction of the pole faces by the running surface of the rail which closes the magnetic circuit.
The force of attraction between the polar faces
and the rail develops almost independently of the adhesion of the wheels of the ferroviaira vehicle to the rail, with the exception of the initial force of application of the shoe on the rail generally greater than twice the action of gravity on the magnetic pad and its suspension and recall system in the inactive position
away from the rail.
The attraction force between the skate and the rail can reach very large values which represent more than 20 times the action of gravity on the skate and its suspension and recall system and which can be close to those of l 'application effort on the rail of the wheels of a railway bogie framing this skate. As an example, we can indicate that the two magnetic pads of a railway bogie weigh around 1/2 ton with their mobile application and lifting equipment but can be applied to the rail by electromagnetic attraction with a force. maximum attraction of around 14,000 daN.
The retarding forces obtained with such pads during braking tests generally do not exceed values of 1,000 to 1,200 decanewtons (daN), which translates into a coefficient of friction
- .. ment relatively small between the friction surface of the pads and the rail and a decrease in the induction crossing the surface of the rail when the pad moves on the rail.
Despite these apparently modest braking performances, magnetic brake pads are increasingly used on fast rail vehicles intended for passenger transport because their use, on the one hand, does not require practically any adhesion between the wheels and the rail and reduces stopping distances in the worst conditions of grip, and on the other hand, can be considered safe when the pads are applied automatically in case of emergency braking and are supplied with direct current by the vehicle batteries. The use of magnetic pads on light rail vehicles for
the transport of travelers, such as trams, has always been very popular because in such an application, it is possible to supply the high excitation electrical excitation winding by direct or almost direct withdrawal from the direct current catenary generally at 600V,
and the more limited load of the bogies, makes it possible to reach emergency braking of decelerations close to
<EMI ID = 1.1>
Many improvements have been proposed and / or applied to improve the braking performance of magnetic pads. The increase in the electrical excitation cannot be envisaged as a result of the virtual saturation of the magnetic circuits, no more than the increase in the dimensions in width and in length which collide, respectively with the limited width of the head of the running rail. and the space available between the two wheels of the bogie outside which there can be no question of transmitting to the vehicle the friction forces applied by the rail to the pad. Another improvement consisted in adding between the magnetic poles of the pad, in particular in the air gap between these two poles, friction linings with a high coefficient of friction.
Such linings have proven to be practically ineffective because either their application force on the rail is low, or the permeability between the poles of the magnetic pad and the rail is seriously affected and the gain in the coefficient of friction. is practically canceled out by the reduction in the magnetic application force of the pad on the rail.
One of the aims of the present invention is to produce a magnetic pad, on the one hand compatible with the current requirements of weight, size, electrical excitation power and cost for the bogies of railway vehicles intended for transport. passengers and, on the other hand, whose effective braking performance on the track is considerably improved.
To this end, the electromagnetic pad usable in particular for braking a rail vehicle
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vehicle, of the type comprising at least one elementary friction shoe consisting of a ferromagnetic core, the two pole faces (north and south) separated by a vertical air gap are capable of being applied to the rail, the core cooperating with at least one coil exci-
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polar faces by the running surface of the rail which then closes the magnetic circuit; is characterized in that the ferromagnetic core and its polar faces
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in a material with high magnetic permeability such as mild steel while a plate in a material with good
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and of good mechanical strength such as an agglomerated and sintered powder based on soft iron or ferrites is added and rigidly fixed on each pole face to come to come, when the pad is applied to the running rail, between the surface of this rail and the face
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friction material most generally used up to now to realize the polar faces was a friction cast iron with good magnetic permeability but which nevertheless did not support as high inductions as mild steel. Thanks to the invention, it is possible to produce the magnetic circuit mainly in mild steel with high permeability and to really benefit from a high coefficient of friction between the surface of the poles and the rail. Sintered materials already exist which have a high permeability and an included coefficient of friction
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material between the pole faces and the rail should make it possible to triple the braking forces obtained with the magnetic pads without increasing their weight, size and electrical excitation.
According to another characteristic of the invention, the material with good magnetic permeability and high coefficient of friction also has properties of ma-
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exercised by the running rail without prohibiting the return of the magnetic shoe in the inactive position after cutting the current of the excitation coil. A pad with a slight remanent magnetism can be applied to the rail without electrical excitation during the service braking of the vehicle in order to clean the surface of the wet rail.
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the rail of such a pad can be produced by the action of the braking pressure of the vehicle acting on one or
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high friction of the friction material of the poles allows to obtain sensitive braking forces and an effective cleaning of the surface of the rail without the return of the pad in the inactive position away from the rail, requires greater return efforts than those commonly used return springs capable of exercising
a return force substantially equal to twice the action of gravity on the skate and the movable part of its suspension and return system.
To reduce heating of the rail surface in the event of a long train of braked vehicles running by magnetic pads, the material with good magnetic permeability and high coefficient of friction may also have good thermal conductivity and be connected to at least one heat accumulation block capable of reducing, during braking, the heating of the material with good thermal conductivity and, consequently, of the rail.
As a variant, the material with good magnetic permeability and with a high coefficient of friction may have qualities of fragmentation with friction abrasion (of the type of those of cast iron railway brake shoes) making it possible to evacuate into fragments of abrasion a significant part of the frictional heat released during the friction of the shoe on the rail.
According to another important characteristic of the invention, the material with good magnetic permeability and high coefficient of friction is also provided
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thin layer on the polar faces by an attachment means such as a metallization projection.
Another embodiment of the invention consists in forming the material with good magnetic permeability and high coefficient of friction into a massive block of friction pad with high magnetic permeability removably attached to each of the pole faces by any means achieving the continuity of the magnetic circuit passing through the ferromagnetic core. In perfect
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friction pad corresponding to the two blades (north
and south) of an elementary sliding shoe can be assembled in a single monobloc, on the one hand constituted
two skate blocks separated by a continuous strip
of non-magnetic material (s) to constitute the air gap between the two blades, on the other hand, removably fixed between and on the two pole faces by any means providing continuity of the magnetic circuit. The continuous strip of non-magnetic material (s) may contain a block of heat accumulation such as a fusible wax and have a flared section in the direction of the excitation coil to form a gap of minimum width.
at the outlet between the two blades of the single monobloc on the side of the rail.
According to a particularly compact and innovative embodiment, the continuous strip of non-magnetic material (s) is secured by sintering to the two friction shoe blocks corresponding to the two poles and the single monoblock is, on the one hand, tightened and assembled removably by any suitable means such as screws between the opposite lateral polar faces formed
on each pole of the magnetic core and on the other hand, supported by each of these lateral faces on another pole face formed parallel to the surface of the rail
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preferably have a height .Limit allowing, in the inactive position of the magnetic pad mounted on the rail vehicle, to release towards the rail or respectively to engage from the rail, the single piece after removal of the means of assembly of this piece on the magnetic core poles. As a variant, the single monoblocks can be slid laterally between the two opposite lateral polar faces formed on each pole of the core after depositing their assembly means on the poles of the magnetic core, to a lateral position outside the magnetic pad to allow the installation and / or removal of the monoblocks parallel to the rail.
For assembly on the magnetic core, the two opposite lateral faces formed on each pole of the core can be inclined symmetrically with respect to the longitudinal axis of the shoe and form two retaining surfaces for the single monoblock assembled in dovetail between the two polar faces of the ferromagnetic core.
<EMI ID = 15.1> non-magnetic (s) of the single unit can be fitted with
teeth and / or protrusions able to cooperate with conjugate teeth and / or protrusions formed on a rigid envelope of the excitation coil in order to transmit to this rigid envelope the friction forces developed by the rail
on the part of the single monoblock in contact with the rail.
Other objects, advantages and characteristics of the present invention will appear on reading the description which follows, given without limitation and with reference to the drawing in which:
- - Figures 1 and 2 show in cross section two different embodiments of the electromagnetic shoe according to the invention applied in the braking position on the running rail of a railway vehicle.
- Figure 3 is a partial elevational view of a rail vehicle bogie equipped with electromagnetic pads according to the invention-
With reference to FIG. 3 which represents a pad in service on a vehicle, the reference 1 designates an electromagnetic pad supported by the bogie 2 of a
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4b of two lifting cylinders whose action is shown diagrammatically by arrows 4. Annular excitation coils 6, housed inside a rigid envelope 5, are aligned in the longitudinal direction of the rail 3. These coils have a vertical plane of symmetry 7 (see FIGS. 1 and 2) extending over the entire height of the pad and substantially coincident in service with the longitudinal plane of symmetry of the rail 3. The pad 1 comprises a series of elementary friction pads 8 mounted in line and arranged between two head elements 9 along the rigid envelope 5 forming a supporting frame so that each elementary shoe is associated with its own coil 6.
The elementary end pads 9 are each provided with a chamfer
18 allowing them to engage the rail 3 gradually and thus to cross without snagging a sudden discontinuity in the rolling surface such as a rail joint or a switch fitting.
Referring now to FIG. 1, it can be seen that each elementary pad 8 applied to the surface
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ferromagnetic core in the shape of an inverted U, the two branches 10 of which start from the central opening 6a of the coil 6 towards the rail 3 by supporting this coil 6
on either side so as to form at one of their ends two pole faces 11, which come opposite the upper surface of the rail 3 perpendicular to the longitudinal axis thereof. The two branches of the U pass horizontally through the central opening of the coil 6 and are applied one on the other on a support surface 12, flat and without air gap to form the magnetic circuit of each elementary pad 8 in two easily removable parts 13 and 14 on either side of the plane of symmetry 7-
Each part 13 or 14 has at its base a friction end piece 15 returning under the coil 6, directed vertically towards the rail 3 and kept away from the homologous end piece of the other part 13 or 14 by means of a separation tape "in a non-magnetic material such as brass or stainless steel. The two removable parts 13 and 14 constituting the ferromagnetic core of each elementary pad 8, are clamped one on the other directly by the surface bearing 12 and on the separation strip 16 by transverse bolts 17, one of which crosses the surface 12 and can be made of a material with high magnetic permeability while the other, passing through a space provided
at the base of the coil 6, respectively crosses the recessed portions 15 of the arms 10 and the separation strip 16 and must imperatively be made of a non-magnetic material such as stainless steel to avoid a magnetic short circuit of the air gap formed by the strip 16.
According to the invention, the pole faces 11 of parts 13 and 14 are covered with a thin plate
19 made of a material with good magnetic permeability, high coefficient of friction, good mechanical strength and with good abrasion resistance. Such plates are now produced by powder metallurgy, in particular by sintering, but their attachment, which can be achieved by screws fixed perpendicular to the running surface of the rail 3, presents dificulties when they are thin. In case the material interposed between the surface
of the rail and the pole faces has a high abrasion resistance, it can be envisaged to hang it on these pole faces in a thin layer by metallization, that is to say projection at high impact speed in the form of particles melted or microfused.
When the magnetic pad shown in FIG. 1 is applied in the active position on the rail and slides on it, the coil 6 is traversed by a direct current providing a large number of excitation amps capable of almost saturating the circuit magnetic closed on the parts 13 and 14 and on the rail where the magnetic flux enters by one of the polar faces 11 and exits by the other by carrying out in the rail a course in the form of arcs of concentric circles represented in fine lines 20. The separation strip 16 and the non-magnetic rod of the lower bolt 17 oblige
indeed the magnetic flux preferentially to cross the rail relatively more permeable to the lines of force to connect the north and south poles of the polar faces 11. The high induction which crosses the surface
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very large magnetic attraction force between the plates 19 and this surface of the rail. The effort of applying the plates 19 to the rail can thus reach, for the longest magnetic pads, static values of 7,000 to 10,000 daN. The rapid displacement of the magnetic pad on the rail induces in it eddy currents which reduce the magnetic induction crossing the surface of the rail but the high coefficient of friction of the plates 19 causes a significant braking force applied by the mushroom 3a of the rail to the plates 19 which transmit it to the parts 13 and 14 of the ferromagnetic core which then comes to bear on the lateral faces of the opening 6a of the coil 6 contained in the rigid casing 5 which abuts on the chassis of the bogie 2 of the vehicle.
The known type of magnetic pads have ferromagnetic cores which are either massive in
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molded steel with very good magnetic permeability with friction pads added in cast iron
medium magnetic permeability. The permeability of the magnetic circuit of such nuclei remains below
that obtained with the magnetic pads shown
in FIG. 1. Such an advantage makes it possible to increase
significantly the magnetic induction crossing the surface of the rail and benefit from significantly greater attraction forces because these attraction forces are proportional to the square of the induction. In
such pads, the restraining force by the eddy currents is reduced as much as possible to favor the action of friction between the plates 19 with a high coefficient of friction (0.2 to 0.4) and the rail whose
the surface roughness increases after the abrasive passage of the magnetic pad of the first bogie of a train, which increases the efficiency of the following pads.
The magnetic pad represented in section in FIG. 2 takes up certain elements from that represented in FIG. 1. The identical elements bear the
same references and relate to the excitation coil 6, the branches 10 of the ferromagnetic core in two parts
13 and 14 and their common bearing surface 12.
For reasons of ease of disassembly
from the outside (part 14) of the shoe with respect to <EMI ID = 20.1>
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made of mild steel being provided with tapped holes to receive the threaded ends of these screws 17. The end piece 15 at the base of parts 13 and 14 of the magnetic core is not extended in the direction of the rail but is provided with two faces d 'support perpendicular to each other respectively, 21 parallel to the plane of symmetry 7 and 22, parallel to the running surface of the rail.
According to the invention, a massive friction block
23 comprising two solid poles 24 and 25 made of a material of good magnetic permeability with a high coefficient of friction and good mechanical resistance (for example molded by powder metallurgy and a sintering operation, into a single monobloc 23 comprising a separation strip 26 constituting the air gap between the two poles 11) is assembled on the magnetic core by
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clamped between the two faces 21 by the lower screws 17 passing through a bore 27 made for example by moulaga in the block 23. The separation strip 26 is made of a non-magnetic material by any suitable means, in particular by powder metallurgy and
<EMI ID = 24.1> <EMI ID = 25.1> in the figure = This flared section allows on the one hand to have a very long air gap in the vicinity of the coil 6 in an area most at risk from short
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apart from reducing to a small width the gap between the two poles in the vicinity of the friction surface on the rail. This arrangement makes it possible to increase the contact surface between the friction pads and the rail and to increase the induction passing through this surface and thereby increasing the attraction force between the magnetic pad and the rail. Monoblocks 23 mounted <EMI ID = 27.1>
18 already described with reference to FIG. 3, and an external lateral fin 28 allowing the monoblock to hang on to the rail in the event that, when the shoe is applied in the direction of the rail, a transverse impact laterally displaces the 'set of two magnetic pads of a bogie connected together by a front and side abutment frame on the bogie frame.
When the magnetic pad shown in FIG. 2 is applied in the active position on the rail and slides on it, the coil 6 being traversed by a continuous excitation current, the magnetic flux crosses the faces 21 and 22 practically without air gap, spreads out in the solid pole 25 of good magnetic permeability, enters through one of the pole faces 11 and emerges through the other by making in the rail a path in the form of arcs of concentric circles represented in lines <EMI ID = 28.1>
14 of the core, without crossing the separation strip 26 constituting an air gap of variable width. The attraction
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rail produces significant friction forces due to the high coefficient of friction of the sintered material constituting the poles and of the non-magnetic material constituting the separation strip 26. In this version, it is possible to use for the solid block 23
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in the case of Figure 1 because the change of the blocks
23 can be easily operated on the pad mounted on the bogie
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17 made of stainless steel and lower the blocks 23 onto the rail with a lever, the magnetic pad being in the inactive high position as shown in the figure
3. The blocks 23 can then be removed laterally if
the descent height on the rail is greater than the height of the face 21. In the case where this face 21 is higher than the free space between the pole face 11 and and the rail, the blocks 23 can be removed by sliding, after loosening the lower screws 17, between the faces 21 to a free end of the shoe
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ment that the solid poles 24 and 25 can be entirely separated from the band 26 on which they are tightened by the lower screws 17. The band 26 can have various cross sections, in particular a rectangular section of known type facilitating the tightening of the solid poles between the two faces 21 and it can be provided with teeth and / or projections cooperating with teeth and / or conjugate projections formed on the rigid casing 5 preferably made of stainless steel sheet to limit magnetic leaks.
It should also be understood that the clearance provided between the bore 27 and each screw 17 which passes through it enables the solid poles 24 and 25 to be tightened energetically between
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the vertical direction of these poles when they are brought to high temperature by friction on the rail. To reduce the heating of the rail and of these poles during braking, it is possible to provide that the material which constitutes them has abrasion fragmentation qualities to evacuate (like the phosphorous melting of the railway brake shoes) the heat of friction in the abrasion fragments then brought to red or else that the separation strip 26 contains a block of heat accumulation in non-magnetic material such as a fusible wax.
Of course, the present invention is not limited to the embodiments shown. It is susceptible of numerous variants, accessible to those skilled in the art, without departing from the spirit of the invention. So, in the event that the skate & gnetic
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tees at high temperature by friction on the rail, it is possible to provide faces -21 inclined symmetrically with respect to the axis 7 to form two retaining surfaces
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by the faces 22 during braking. In such an arrangement, the magnetic circuit has a slight
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support 22. The block 23 and the poles 24 and 25 can expand freely in all directions relative to the
mild steel magnetic core. Such a provision
is particularly advantageous when the coefficients of expansion of the cores and of the block 23 are very different but requires relatively solid lower screws 17 to cope with the torsional forces
and opening applied to this core when the magnetic pad is in service on the rail. Use
of monoblocks 23 with dovetail requires the assembly by lateral sliding of these monoblocs starting from one of the ends of the magnetic pad.
The use of magnetic pads provided with friction parts, either very resistant to abrasion like the thin plates 19 of FIG. 1, or very easy
to be replaced on the skate in service such as � noblocs
23 of Figure 2, allows the use of such pads
in service braking. In this application, the moderation of the braking, in the absence of a modulation of the current
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could be obtained, as described above, by applying the pad on the rail by the action of the braking pressure acting on at least one piston for applying the pads against the springs and other means for returning this pad in inactive position. As described above, this braking action by friction pad could be reinforced by permanent excitation magnets which do not prevent the pads from being returned to the inactive position, the well-known drawback of permanent magnets in rail service being however to hang on all ferromagnetic particles passing in their vicinity.
Another variant consists in providing for the material of the poles 24 and 25 and possibly of the separation strip 26, a relatively elastic structure, which can be obtained by leaving voids between the grains of sintered material. Such an elastic structure allows the pole face 11 to better match the surface of the running rail under the action of the attraction force.
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in service and the magnetic attraction and braking forces of the shoe on the rail.
CLAIMS
1.- Electromagnetic pad usable in particular for braking a rail vehicle by application to the steel running rail of this vehicle, of the type comprising at least one elementary friction pad consisting of a ferromagnetic core of which
the two pole faces (north and south) separated by a vertical air gap are capable of being applied to the rail, the core cooperating with at least one excitation coil capable of causing the magnetic attraction of
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which then closes the magnetic circuit, characterized in
that the ferromagnetic core and its polar faces capable of being applied to the rail are produced
in a material with high magnetic permeability such as
mild steel while a plate made of a material with good magnetic permeability, high coefficient of friction and good mechanical resistance such as an agglomerated and sintered powder based on soft iron or ferrites is attached and rigidly fixed to each pole face to come to intervene, when the shoe is applied to the running rail, between the surface of
this rail and the material with high magnetic permeability
of the polar face.