Machine électromagnétique rotative, utilisable notamment comme frein La présente invention a pour objet une machine électromagnétique rotative, utilisable notamment comme frein.
Cette machine est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un stator fixe constituant un inducteur, comprenant une bobine d'exci tation et une série de pôles de polarités alter nées, régulièrement espacés à la périphérie du stator, et un rotor cylindrique creux susceptible d'être entraîné en rotation, en métal conducteur et magnétique, enveloppant le stator à faible distance de celui-ci, et coaxial avec lui, ledit rotor étant pourvu de perforations régulière ment réparties suivant des génératrices pour former des rangées rectilignes délimitant des bandes pleines constituant des conducteurs rec tilignes de forte section parcourus, lors de la rotation du rotor, par des courants de forte in tensité produisant un couple résistant agissant sur le rotor.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, une forme d'exécution de la machine objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en bout de cette forme d'exécution, avec coupe partielle.
La fig. 2 est une coupe longitudinale, sui vant la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue éclatée de la machine, les paliers d'extrémité ayant été disposés au- dessous des parties magnétiques pour permet- tre une représentation à plus grande échelle de toutes les pièces de la machine. Les fig. 4 à 7 sont des vues développées des pôles du stator et des lignes de perfora tions du rotor, pour diverses positions succes sives du rotor, l'ensemble étant supposé vu de l'intérieur de la machine.
La machine rotative représentée est symé trique par rapport à l'axe géométrique de rota tion XX, et par rapport à un plan perpendicu laire à cet axe. Elle comprend essentiellement deux stators 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 et à rouleaux 3 dans lesquels tourillônne un arbre 4, sur le milieu duquel est claveté le. rotor double R. Cet arbre traverse axialement les stators dans lesquels il tourne librement.
Chacun des stators comprend deux pièces po laires 5 et 6 en matériau magnétique ; la pièce polaire 5 comprend un noyau cylindrique 7 alésé pour le passage de l'arbre 4 et muni d'une douille de centrage 8 destinée à s'engager dans la pièce polaire 6, et une série de pôles 9. Dans l'exemple représenté, ces pôles sont au nombre de douze. Chacun de ces pôles comprend une portion constituée par un bras radial 10 et une portion 11 à 90o 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 pièce polaire 6, opposée à la pièce polaire 5 est de forme analogue, mais ne comporte pas de noyau 7 ni de douille de centrage 8 ; son alésage cen tral 13 est de diamètre suffisant pour recevoir la douille de centrage 8 de la pièce 5. Les in tervalles entre pôles sont tels que lorsque les pièces 5 et 6 sont rapprochées et assemblées, par exemple au moyen de tiges filetées 14 et d'écrous 15 qui peuvent également servir à fixer les paliers 2, les dents 11 de chaque pièce s'intercalant entre les dents 11 de l'autre, des entrefers égaux étant ménagés entre les deux séries de dents. L'écartement entre les deux pièces est déterminé par le noyau 7.
L'ensem ble ainsi formé par ces deux pièces forme une sorte de cage dont l'espace annulaire interne est occupé par une bobine d'excitation toroï- dale 15, l'axe des spires étant l'axe XX, de sorte que le flux de cette bobine est dirigé pa rallèlement à cet axe. Cette bobine comporte deux fils d'extrémités 16 reliés à deux bornes fixes (non représentées) permettant d'alimen ter la bobine en courant continu. Les pièces 5 et 6 sont donc de polarités opposées ; tous les pôles de la pièce 5 seront donc d'une certaine polarité, et tous les pôles de la pièce 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 éle vées ; ceci résulte notamment du fait que les faces latérales des pôles opposés voisins ne se font face que sur une portion de leurs sur faces, en raison de leurs formes triangulaires inversées l'une par rapport à l'autre. 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 ro tor ci-après décrit.
Bien entendu, tout ce qui a été précisé au sujet d'un stator est valable pour l'autre, puis que ces deux ensembles symétriquement dis posés, sont identiques.
La fixation des stators sur les supports 1 s'effectue par exemple au moyen de vis la se vissant dans des trous taraudés ménagés dans certains des pôles des stators. Le rotor double R, symétrique par rap port à un plan médian perpendiculaire à l'axe XX, comporte une roue 21 clavetée sur l'arbre 4, celui-ci pouvant être entraîné au moyen de poulies ou de pignons fixés sur les extrémités cannelées 22. Sur la jante 21a de la roue 21 est fixé 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.
Les entrefers entre le cylindre 23 et les sta tors et l'épaisseur du cylindre sont déterminés de telle manière que la réluctance des tronçons du cylindre compris entre deux pôles voisins soit très inférieure à celle de l'entrefer entre deux pôles de polarités opposées.
Le flux de chaque pôle se divise évidem ment en deux parties dirigées respectivement vers chacun des pôles adjacents : le rotor est donc traversé par un champ magnétique varia ble le long de la périphérie du rotor, la machine étant à l'arrêt.
Le cylindre est divisé en bandes par des séries de perforations 24 réparties suivant des génératrices régulièrement espacées. Les- ban des ainsi délimitées constituent de véritables conducteurs et également des portions de cir cuits magnétiques ; les bandes comportant des rangées de trous constituent, au contraire, des portions à grande réluctance.
Le cylindre est donc constitué par un en semble de conducteurs à fortes sections se dé plaçant dans le champ magnétique des stators. Ces conducteurs sont donc parcourus par des courants induits qu'on peut déterminer avec pré cision lorsqu'on connaît la résistivité et la per méabilité du métal employé. Les sections des conducteurs étant relativement grandes, l'inten sité des courants ainsi produits peut atteindre une valeur élevée et produire par effet Joule un dégagement intense de chaleur. En même temps, il apparaît un couple résistant qui peut atteindre une grande valeur.
Pour donner à ce couple une valeur plus constante, on donne aux pôles une section tra pézoïdale (celle-ci étant observée de l'extérieur de la machine), comme visible sur la fig. 3 et sur les développements d'un stator et d'un demi- rotor représentés aux fig. 4 à 7. Dans l'exemple représenté, la tangente du demi-angle au som met est égale à environ 0,1. Les entrefers sont donc représentés par des fentes obliques par rapport à l'axe de la machine, donc obliques par rapport aux rangées de perforations du rotor.
D'après la fig. 4, on voit que l'écart<I>AB</I> entre deux rangées de perforations est égal aux 2/3 du pas polaire<I>AC ;</I> en d'autres termes, il existe trois conducteurs v 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 fig. 5 montre le rotor dans une position correspondant à la fermeture de l'entrefer<I>El</I> par une bande sans perforations et la réluc tance est minima ; sur la fig. 7, l'entrefer<I>El</I> est recouvert par une bande perforée ; donc, la réluctance est maxima ; la fig. 6 correspond à une position intermédiaire.
Il résulte de cette disposition que le couple est remarquablement constant pour une inten sité d'excitation donnée.
Pour permettre une dissipation plus impor tante d'énergie calorifique, le rotor est muni sur sa périphérie de nervures ou ailettes de ventilation 31.
Lorsque le rotor est entraîné en rotation, il suffit donc d'alimenter les bobines d'exci tation des stators pour obtenir un couple résis tant freinant le dispositif entraînant l'arbre 4 ; ce couple peut être commandé par simple va riation du courant d'excitation. Toutefois, il décroît avec la vitesse et ne peut permettre d'ar rêter complètement le dispositif d'entraînement. La machine décrite peut donc être avantageu sement utilisée comme frein ralentisseur sur des véhicules ou machines de types divers.
L'excitation peut notamment être comman dée, manuellement ou automatiquement. Bien entendu, le rotor pourrait être entraî né, 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 pourrait être constitué par un liquide : ce liquide pourrait être intro duit par un arbre creux et circuler à l'intérieur du rotor.
Rotary electromagnetic machine, usable in particular as a brake The present invention relates to a rotary electromagnetic machine, usable in particular as a brake.
This machine is characterized in that it comprises at least one fixed stator constituting an inductor, comprising an excitation coil and a series of poles of alternating polarities, regularly spaced at the periphery of the stator, and a hollow cylindrical rotor capable of to be driven in rotation, 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 constituting rec tilinear conductors of large section through which, during the rotation of the rotor, high current currents produce a resistive torque acting on the rotor.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the machine which is the subject of the invention.
Fig. 1 is an end view of this embodiment, with partial section.
Fig. 2 is a longitudinal section taken along line 2-2 of FIG. 1.
Fig. 3 is an exploded view of the machine, the end bearings having been arranged below the magnetic parts to allow a larger scale representation of all the parts of the machine. Figs. 4 to 7 are developed views of the poles of the stator and of the lines of perforations of the rotor, for various successive positions of the rotor, the whole being supposed to be seen from the inside of the machine.
The rotary machine shown 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 stators S, S 'identical and symmetrically arranged and supported at a certain distance from each other by supports 1. These stators support bearings 2 provided with ball and roller bearings 3 in which a journal shaft 4, on the middle of which the. double rotor R. This shaft passes axially through the stators in which it rotates freely.
Each of the stators comprises two polar parts 5 and 6 of magnetic material; the pole piece 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 piece 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 at 90o thereof, parallel to the axis and directed towards the stator 6. This tooth-shaped portion ends in a bevel at 12.
The pole piece 6, opposite the pole piece 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 part 5. The intervals between poles are such as when the parts 5 and 6 are brought together and assembled, for example by means of threaded rods 14 and d 'nuts 15 which can also be used to fix the bearings 2, the teeth 11 of each part being inserted between the teeth 11 of the other, equal gaps being formed between the two series of teeth. The distance between the two parts is determined by the core 7.
The assembly thus formed by these two parts forms a sort of cage, the internal annular space of which is occupied by a toroidal excitation coil 15, the axis of the turns being the axis XX, so that the flow of this coil is directed pa rally 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. Parts 5 and 6 are therefore of opposite polarities; all the poles of part 5 will therefore have a certain polarity, and all the poles of part 6, 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, due to their triangular shapes inverted with respect to one another. The leakage flows (passing directly from one pole to the neighboring poles) are therefore relatively minimal, and the major part of the flow is closed by the ro tor described below.
Of course, everything that has been specified about one stator is valid for the other, since these two symmetrically arranged sets are identical.
The stators are fixed to the supports 1, for example, by means of screws 1a which are 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 keyed on the shaft 4, the latter being able to be driven by means of pulleys or pinions fixed on the splined ends 22 On the rim 21a of the wheel 21 is fixed a cylinder 23, made of magnetic and conductive metal, such as steel, extending on either side of the rim to cover the stators.
The air gaps between the cylinder 23 and the sta tors and the thickness of the cylinder are determined in such a way that the reluctance of the sections of the cylinder included between two neighboring poles is much less than that of the air gap between two poles of opposite polarities.
The flux of each pole is obviously divided into two parts directed respectively towards each of the adjacent poles: the rotor is therefore crossed by a variable magnetic field along the periphery of the rotor, the machine being stationary.
The cylinder is divided into strips by series of perforations 24 distributed along regularly spaced generatrices. The bands 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 cylinder is therefore formed by a set of conductors with large sections moving in the magnetic field of the stators. These conductors are therefore traversed by induced currents which can be determined with precision when the resistivity and permeability 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 produce, by the Joule effect, an intense release of heat. At the same time, a resistant torque appears which can reach a great value.
To give this torque a more constant value, the poles are given a trapezoidal section (this being observed from outside the machine), as can be seen in fig. 3 and on the developments of a stator and of a half-rotor shown in FIGS. 4 to 7. In the example shown, the tangent of the half-angle at the top is equal to approximately 0.1. The air gaps are therefore represented by slits oblique with respect to the axis of the machine, and therefore oblique with respect to the rows of perforations of the rotor.
According to fig. 4, we see that the difference <I> AB </I> between two rows of perforations is equal to 2/3 of the pole pitch <I> AC; </I> in other words, there are three conductors v 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 <I> El </I> by a strip without perforations and the reluctance is minimum; in fig. 7, the air gap <I> El </I> 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 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 in order to obtain a resistant torque which brakes the device driving the shaft 4; this torque can be controlled by simple variation of the excitation current. However, it decreases with speed and cannot completely stop the drive device. The machine described 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. Of course, the rotor could be driven, not necessarily by its shaft, but by its periphery, for example by means of a ring gear mounted on the cylinder. The cooling fluid could consist of a liquid: this liquid could be introduced through a hollow shaft and circulate inside the rotor.