Machine à courants de Foucault Il est bien connu que, lorsqu'un conducteur de forte section est parcouru par un courant alternatif, particulièrement lorsque ledit conducteur est en une substance magnétique, seules les surfaces périphéri ques du conducteur sont le siège des courants, la partie massive intérieure étant caractérisée par un courant nul et un champ magnétique nul, dès que la fréquence dépasse une certaine valeur.
Des phénomènes analogues se produisent lors que des conducteurs magnétiques sont le siège, non plus de courants alternatifs, mais de champs magné tiques alternatifs longitudinaux. Les pertes par cou rants de Foucault ne dépendent plus de la masse totale, c'est-à-dire de la section totale du métal du conducteur, mais de la surface dudit conducteur qui est parallèle aux lignes de force du champ ; seule une couche périphérique conduit les lignes de force comme les courants de Foucault, alors que la partie centrale d'un tel conducteur en est à peu près tota lement dépourvue.
Les éléments magnétiques des machines à cou rants de Foucault, et plus particulièrement les orga nes mobiles, sièges desdits courants de Foucault, des freins ou embrayages, sont donc mal utilisés dans la pratique actuelle du point de vue magnétique, élec trique et massique.
La présente invention a notamment pour but de remédier à de tels inconvénients.
A cet effet, l'invention a pour objet une machine à courants de Foucault, comportant un inducteur comprenant des pôles et au moins un organe en matière magnétique et électriquement conductrice qui est le siège de courants de Foucault, mobiles relativement, caractérisée par le fait qu'une partie au moins de la surface dudit organe qui est le siège des courants de Foucault, partie qui est parallèle aux lignes de force du champ inducteur, présente des saillies et des creux qui présentent eux-mêmes des surfaces parallèles auxdites lignes de force.
Les dessins annexés représentent schématique ment, à titre d'exemples, des formes d'exécution de la machine à courants de Foucault objet de l'inven tion.
Les fig. 1 et 2 montrent de façon comparative les surfaces d'un conducteur massif et d'un conduc teur divisé.
La fig. 3 montre en coupe partielle une machine comprenant un rotor et un stator homopolaire.
La fig. 4 montre partiellement et de profil la jante du rotor. Les fig. 5, 6 et 7 montrent, en section, différen tes formes de jantes.
La fig. 8 montre partiellement et de profil une machine hétéropolaire comprenant des pôles fixes. La fig. 9 montre une coupe faite par la ligne IX-IX de la fig. 8.
La fig. 10 montre partiellement, en développe ment, une telle jante en section selon la ligne X-X de la fig. 9.
La fig. 11 montre un rotor constitué par un dis que unique disposé entre deux pôles dentés d'un stator hétéropolaire.
La fig. 12 montre une variante de la couronne active d'un tel disque, vue en coupe, destinée à être associée avec un stator hétéropolaire latéral. La fig. 13 montre schématiquement en coupe la partie active d'un rotor situé entre deux séries de pôles d'un stator hétéropolaire.
La fig. 14 montre une vue schématique de la répartition des lignes de forces du champ magnéti que dans un élément de rotor annulaire. La fig. 15 montre une vue en plan correspondant à la fig. 14.
La fig. 16 montre une coupe radiale d'un élé ment annulaire.
La fig. 17 montre, en coupe, l'épaisseur de péné tration dans une rondelle cannelée.
La fig. 18 montre une coupe diamétrale d'un élément annulaire enrobé.
La fig. 19 montre une coupe faite par la ligne brisée XIX-XIX de la fig. 18. La fig. 20 montre une variante de la fig. 19. La fig. 21 montre, à plus grande échelle et de façon partielle, une autre variante. La fig. 22 montre une coupe radiale partielle d'une machine constituant un frein électromagnéti que.
La fig. 23 montre en coupe le détail d'un élément annulaire à l'emplacement de sa fixation.
La fig. 24 montre en coupe partielle une autre forme d'exécution.
Si l'on suppose parcourus par du courant alter natif quatre anneaux parallèles de section rectangu laire 1, comme on le voit sur la fig. 1, seules les régions superficielles 2 sont parcourues par les cou rants. Si l'on rapproche jusqu'au contact les quatre rondelles, la section utile de la région périphérique 3 parcourue par le courant devient nettement infé rieure à la somme des sections utiles 2. Il s'ensuit que la résistance effective est plus faible, avec des anneaux séparés qu'avec des anneaux en contact ; avec une fréquence de 50 périodes par seconde dans de l'acier, la résistance effective est le tiers de celle qui est obtenue pour les pièces en contact ; pour un même courant transporté, les pertes et la température atteintes sont plus faibles avec des anneaux séparés.
Le nombre des rondelles n'est naturellement pas limité à quatre.
Ces résultats sont bien connus et des phénomènes analogues interviennent lorsque la matière constitu tive des anneaux est une matière magnétique et que lesdits anneaux sont le siège de champs magnétiques alternatifs longitudinaux. Les pertes par courants de Foucault ne dépendent plus de la masse totale ou encore de la section totale du métal, mais des surfaces des masses métalliques, parallèles aux lignes de force ; seules les couches périphériques 2 condui sent les lignes de force comme les courants de Fou- cault, alors que les parties centrales en sont totale ment dépourvues.
La réluctance effective d'un ensemble d'anneaux est nettement plus faible lorsque les anneaux sont séparés et il est donc possible de faire passer dans des anneaux séparés un flux plus important que dans la section unique de valeur équivalente représentée sur la fig. 2, pour le même nombre d'ampères-tours inducteurs et un flux maximum également plus im portant, si l'on augmente les ampères-tours. Les per tes par courants de Foucault, qui varient avec une puisance du flux (3e ou 4e puissance, suivant les con ditions) sont donc susceptibles d'être sensiblement augmentées, avantage appréciable dans le cas de freins ou embrayages à courants de Foucault.
La division d'un rotor en rondelles séparées avec éloignement suffisant des parties séparées dans une telle machine peut donc présenter un avantage sérieux par rapport à un rotor massif, lesdites rondelles étant alimentées en parallèle et de façon radiale, par l'ex térieur ou par l'intérieur à l'aide d'un inducteur de champs magnétiques à pôles alternés successifs. Il convient que la distance de séparation des rondelles soit suffisante pour que chaque rondelle se comporte, du point de vue magnétique, comme si elle était isolée et seule. Pour les inductions moyennes, l'éloi gnement est de l'ordre de 3 à 6 mm.
Cependant, l'augmentation de la surface, paral lèle aux lignes de force du champ magnétique, d'un élément magnétique parcouru par des courants de Foucault peut être obtenue par d'autres moyens.
En effet, l'épaisseur de pénétration des courants de Foucault et du flux magnétique dans une pièce magnétique de ce genre peut aisément être calculée en fonction des caractéristiques électriques et magné tiques de la substance en cause et suivant la fré quence du champ alternatif. Cette épaisseur repré sente la profondeur pour laquelle le champ magné tique et les courants de Foucault seraient supposés avoir uniformément la valeur qu'ils possèdent à la surface externe et qui est la valeur maximum.
L'épaisseur de pénétration calculée de cette manière permet également de déduire le flux à partir de la valeur maximum de l'induction, la surface de passage du flux étant-théoriquement le produit de cette épais seur de pénétration par la longueur périmétrique de la surface parallèle aux lignes de force.
Etant donné que, pour augmenter ce flux pour un métal et une fréquence donnés, on ne peut pas jouer sur l'épaisseur de pénétration qui est constante, il faut agir sur la longueur de la surface parallèle aux lignes de force. On y parvient en créant sur cet élément des aspérités ou reliefs dont les dimensions sont au moins égales au double de l'épaisseur de pénétration.
Comme on le voit sur la fig. 3, le stator homo- polaire 4 à dents 5 est associé à un rotor compre nant un tambour 6 soutenu de place en place par des bras radiaux 7 ou par un voile en matière non magnétique. Les faces circulaires 8 et 9 du tambour 6 sont pourvues d'aspérités telles que des dents 10 radiales. De telles dents peuvent être situées en regard les unes des autres, comme montré sur la fig. 5.
La fig. 6 montre des dents 11 disposées de façon que l'épaisseur du tambour 6a reste cons tante, ce qui est avantageux aussi bien pour la cons tance du flux qui traverse l'anneau, pour l'absence de création de courants de Foucault parasites dans les surfaces en regard des dents fixes 5 non suscep tibles d'être efficacement refroidies, que pour éviter un effet de sirène du rotor dans le stator. La cou ronne 6, au lieu d'être monobloc, pourrait être cons tituée par l'association de deux rondelles 6b et 6c, comme montré sur la fig. 7, ou encore d'un nombre supérieur de rondelles, lesdites rondelles présentant des dentures situées face à face.
Par ces moyens, on obtient une augmentation de la longueur périmétri- que des surfaces parallèles aux lignes de force, favo rable aussi bien en ce qui concerne les phénomènes électromagnétiques que les possibilités d'évacuation thermique dans l'ambiance qui entoure la machine.
Comme montré sur la fig. 8, dans une machine hétéropolaire dont l'inducteur est constitué par des pôles imbriqués 12, 13 de polarités alternées et dont le rotor 14, cylindrique, peut être monobloc ou en plusieurs rondelles parallèles, la direction du champ dans chaque rondelle est tout d'abord radiale, comme montré en 15 par les flèches et ensuite circonféren- delle, comme montré en 16.
Pour augmenter la longueur des surfaces parallèles aux lignes de force, le rotor ou chaque élément d'un tel rotor présente des cannelures radiales 17 sur une certaine hauteur au voisinage de l'entrefer 18 et, sur la région externe du rotor, des cannelures circulaires 19. Les cannelu res sont ainsi disposées pour créer des augmenta tions de surface parallèlement aux lignes de force, en suivant approximativement lesdites lignes.
Dans cet exemple, les cannelures radiales ont une action de ventilation énergique si elles sont suf fisamment profondes, et ces cannelures sont d'ail leurs favorables à une fabrication bon marché par matriçage.
Dans une machine hétéropolaire, comme montré sur la fig. 11, par exemple, le rotor est constitué par un disque tournant devant des pôles inducteurs fixes de signes opposés successifs et les lignes de force dans ces disques sont, sur la majeure partie de leur parcours, dirigées suivant des circonférences concen triques à l'axe de rotation. Pour augmenter la sur face parallèle aux lignes de force, il suffit de ména ger dans le disque 20 de larges cannelures circulai res 21. On peut, en outre, ménager des cannelures 22 dans les surfaces polaires des pôles 23.
Sur la fig. 11 est représenté un disque compris entre deux séries de pôles symétriques 23 et 23a, mais il est évident que le disque pourrait coopérer avec une série de pôles placée d'un seul côté.
Pour tenir compte de la dilatation thermique du disque 20 en cours de fonctionnement, on prévoit des entrefers cylindriques externes 24 plus larges que les entrefers cylindriques internes 25 pour chacune des cannelures et rainures conjuguées. La valeur de la réluctance de l'entrefer en général ne subit d'ail leurs de ce fait pas d'augmentation appréciable du fait de l'augmentation de surface réalisée par les can nelures, surface à peu près doublée.
Comme on le voit sur la fig. 12, qui représente une jante de disque 26 destiné à être associé avec une série de pôles située d'un seul côté, on prévoit sur la face active du point de vue magnétique des cannelures 27 de grandes dimensions, supérieures de façon très nette à la profondeur de pénétration, et des cannelures 28 beaucoup plus fines, aménagées sur la face opposée, cannelures qui peuvent être sans inconvénient plus fines puisqu'elles n'ont pas de rôle du point de vue magnétique.
La fig. 13 représente une variante d'une jante de disque montée entre deux séries de pôles opposés par paires et de polarités alternées, cas analogue à celui de la fig. 11. Dans ce cas, les faces polaires des pôles 29 et 29a sont lisses. La jante active est divisée en trois rondelles 30, 31, 32, coaxiales et de diamètres croissants. Les extrémités de chaque ron delle présentent des ondulations 33 et 33a analogues aux ondulations 17, par exemple, alors que la région centrale de chaque rondelle est pourvue de canne lures circulaires 34. Des perforations 35 alignées ou non sont prévues pour coopérer au refroidissement par action centrifuge sur l'air.
L'augmentation de la surface parallèle aux lignes de force du corps siège des courants de Foucault dans un embrayage, par exemple, et plus particuliè- rement dans un frein, présente un autre avantage particulièrement appréciable: le même flux pouvant passer dans une section totale plus faible, il en ré sulte la possibilité de diminuer le moment d'inertie du. rotor, à flux égal, donc à couple égal.
On voit sur les fig. 14 et 15, deux pôles succes sifs 41 et 42 d'un stator hétéropolaire, c'est-à-dire un stator à la périphérie duquel se succèdent des pôles de signes contraires alternés ; ce stator est entouré par un rotor 43 constitué, par exemple, par la réunion d'anneaux dont un seul est représenté. Cet anneau 43 offre une section radiale approxima tivement triangulaire, par exemple, pour présenter, à masse égale, une face 44 (fig. 16) étendue en regard des surfaces polaires 45 et 46 des pôles suc cessifs.
Les lignes de force magnétiques 47 qui vont du pôle 41 au pôle 42 intérieurement à l'anneau 43, ont des parcours circulaires concentriques à l'anneau sur une grande partie de leur trajet, ces parcours étant encadrés par des raccords orientés perpendicu lairement à la face 44 dans la région qui fait face aux surfaces polaires 45 et 46, comme ci-dessus mentionné.
Lors du passage d'un pôle 41 au pôle 42 suivant, le flux magnétique, en chaque point de l'anneau 43, a changé de sens et les courants induits dans l'an neau 43 sont des courants annulaires, c'est-à-dire localisés à la périphérie de chaque anneau 43, le long de son périmètre transversal.
Comme on le voit sur la fig. 17, l'épaisseur de pénétration des courants de Foucault est limitée à la zone 43c, les cannelures ayant à la fois une action électromagnétique et une action thermique contri buant à augmenter la puissance de freinage.
Pour augmenter encore cette puissance, c'est-à- dire de façon correspondante, l'intensité des cou rants de Foucault, chacun des anneaux 43 peut être enrobé sur la totalité de sa surface ou non, à l'aide d'une couche de matière à haute conductibilité élec trique telle que cuivre ou aluminium.
Cet enrobage peut affecter la totalité du péri mètre de chacune des rondelles ou une partie seu lement du périmètre. Il y a intérêt, compte tenu de l'allure annulaire des courants qui circulent, à ce que les faces longues, c'est-à-dire les faces latérales de chaque rondelle, soient garnies de la matière à haute conductibilité ; la face 44, pour des raisons d'étroitesse d'entrefer, peut rester non enrobée.
Comme on le voit sur les fig. 18 et 19, la ron delle 43a reçoit un enrobage 48. La surface latérale 49 apparente de chaque face de la rondelle 43a est pourvue de cannelures 50, ces cannelures pou vant être faites à l'aide d'un outil ou être venues de fonderie sur l'enrobage seul (fig. 19). La face même de la matière magnétique qui constitue la rondelle 43b peut présenter des cannelures 51 (fig. 20), l'en robage 48b conservant une forme correspondante cannelée à l'extérieur.
On peut aussi ménager des cannelures de grandes dimensions dans la surface de la rondelle en matière magnétique 43d et avoir de fines cannelures sur la surface de la couche non magnétique 48c à haute conductibilité électrique et thermique (fig. 21).
Chacune des rondelles est pourvue, de préfé rence, de séries de trous 52, répartis sur des cercles concentriques et décalés les uns par rapport aux autres de façon à se trouver sur des rayons diffé- rents.
Dans ces conditions, le revêtement externe à haute conductibilité constitue un circuit annulaire de faible résistance dans lequel des courants induits atteignent des intensités très élevées. L'enrobage de métal à haute conductibilité peut être relié, grâce aux trous 52, convenablement remplis de la même ma tière à haute conductibilité, à des conducteurs qui sont contenus dans lesdits trous 52, conducteurs qui coopèrent au raccourcissement des circuits parcou rus par les courants induits, ce qui diminue la résis tance desdits circuits, augmente l'intensité desdits courants et augmente enfin la valeur du couple de freinage.
Pour éviter que les courants induits dans les conducteurs qui sont contenus dans ces trous 52 soient en phase et s'annulent mutuellement avec, comme conséquence, le fait que ces conducteurs ne contribuent pas à l'accroissement du couple résis tant, il convient que les différentes séries de trous 52 soient décalées dans le sens du mouvement (fig. 18).
L'aménagement des cannelures 50 est effectué aussi bien du point de vue thermique que du point de vue magnétique.
En effet, les cannelures ont un rôle thermique considérable puisqu'elles permettent une augmenta tion de la surface d'échange et plus encore une augmentation de rendement de l'échange par créa tion de turbulences violentes dans l'écoulement des filets d'air de refroidissement.
Par ailleurs, du point de vue magnétique, elles augmentent le périmètre transversal des rondelles. De ce fait, l'épaisseur de pénétration étant considérée comme déterminée, la section de passage du flux magnétique, c'est-à-dire le produit du périmètre transversal par l'épaisseur de pénétration, est forte ment augmentée, à condition que les facettes des- dites cannelures aient des dimensions au moins éga les ou tout au moins du même ordre de grandeur que l'épaisseur de pénétration elle-même (fig. 17).
Le couple résistant varie très rapidement en fonction du flux magnétique (la fonction qui lie ces deux quantités est au moins du troisième degré) et l'on constate que les cannelures permettent de laisser passer un flux plus considérable, d'où résulte une augmentation marquée de la valeur du couple de freinage, malgré l'augmentation apparente de la résistance du circuit parcouru par accroissement de sa longueur, puisque cette augmentation de résis tance varie seulement de façon linéaire avec l'aug mentation de longueur.
Par exemple, l'épaisseur de pénétration étant d'environ 2,5 mm avec de l'acier ordinaire et une fréquence de 100 périodes par seconde, on peut être assuré d'un gain appréciable pour cette fréquence et encore plus marqué pour des fréquences supérieures, à la condition que la lar geur des facettes des cannelures ait au moins 2 mm.
La ventilation des rondelles ainsi constituées, enrobées ou non d'une couche plus conductrice que la matière magnétique qui les constitue, peut être assurée par différents moyens et, en particulier, comme montré sur la fig. 22 et sur la fig. 23, à l'aide d'aubages 54. Dans le cas de la fig. 22, les rondel les 43, cannelées et pourvues d'aubages, sont mon tées sur le voile 55 d'un rotor à l'aide de boulons 56 et d'entretoises 57, des surfaces planes 58 étant aménagées dans la surface des rondelles pour per mettre l'appui des entretoises 57 et des écrous 59 de serrage.
Il y a avantage à aménager dans les pôles 60 du stator hétéropolaire à dentures croisées 61 des gorges 62 qui améliorent la répartition de l'air de refroidissement à l'admission entre les ron delles.
Sur la fig. 24 est représentée une forme d'exécu tion dans laquelle les rondelles 43e sont réunies de façon non démontable à une jante 63 dans laquelle sont pratiquées des perforations 64 allongées selon des arcs de cercle et qui servent d'entrée pour l'air de refroidissement, des aubes 64a aspirant et expul- sant ce fluide, les cloisons qui subsistent entre les perforations 64 successivement ayant seulement un rôle de soutien mécanique et un rôle négligeable du point de vue magnétique.
Pour permettre une action constante et bien répartie du flux magnétique sur toutes les rondelles, les dents du stator présentent des faces d'allure sen siblement rectangulaire. De cette façon, des flux égaux pénètrent dans toutes les rondelles. Il convient également, en outre, que la section d'entrée du flux soit au moins égale à la section radiale de la matière magnétique de la rondelle.
Le fait de prévoir une section radiale à base élargie pour chaque rondelle permet d'augmenter le nombre de pôles du stator, entrainant l'augmenta tion de la fréquence des courants induits et l'aug mentation conséquente du couple de freinage, pro portionnellement à la racine carrée de ladite fré quence.
Les machines ainsi construites peuvent produire des puissances de freinage très élevées, puissances qui se trouvent conservées aux basses vitesses de rota tion.
Eddy current machine It is well known that, when a conductor of large section is traversed by an alternating current, particularly when said conductor is made of a magnetic substance, only the peripheral surfaces of the conductor are the seat of the currents, the part internal mass being characterized by zero current and zero magnetic field, as soon as the frequency exceeds a certain value.
Similar phenomena occur when magnetic conductors are no longer the seat of alternating currents, but of longitudinal alternating magnetic fields. Eddy current losses no longer depend on the total mass, that is to say on the total cross section of the metal of the conductor, but on the surface of said conductor which is parallel to the lines of force of the field; only a peripheral layer conducts the lines of force like eddy currents, while the central part of such a conductor is almost totally devoid of them.
The magnetic elements of eddy-current machines, and more particularly the mobile organs, seats of said eddy currents, brakes or clutches, are therefore poorly used in current practice from the magnetic, electrical and mass points of view.
The object of the present invention is in particular to remedy such drawbacks.
To this end, the invention relates to an eddy current machine, comprising an inductor comprising poles and at least one member made of magnetic and electrically conductive material which is the seat of eddy currents, relatively mobile, characterized by the fact that at least part of the surface of said member which is the seat of the eddy currents, part which is parallel to the lines of force of the inductive field, has projections and hollows which themselves have surfaces parallel to said lines of force .
The appended drawings represent schematically, by way of example, embodiments of the eddy current machine which is the subject of the invention.
Figs. 1 and 2 show in a comparative way the surfaces of a solid conductor and a divided conductor.
Fig. 3 shows in partial section a machine comprising a rotor and a homopolar stator.
Fig. 4 shows partially and in profile the rim of the rotor. Figs. 5, 6 and 7 show, in section, different shapes of rims.
Fig. 8 shows partially and in profile a heteropolar machine comprising fixed poles. Fig. 9 shows a section made by the line IX-IX of fig. 8.
Fig. 10 partially shows, in development, such a rim in section along the line X-X of FIG. 9.
Fig. 11 shows a rotor consisting of a single disk disposed between two toothed poles of a heteropolar stator.
Fig. 12 shows a variant of the active crown of such a disc, seen in section, intended to be associated with a lateral heteropolar stator. Fig. 13 shows schematically in section the active part of a rotor situated between two series of poles of a heteropolar stator.
Fig. 14 shows a schematic view of the distribution of the lines of force of the magnetic field in an annular rotor element. Fig. 15 shows a plan view corresponding to FIG. 14.
Fig. 16 shows a radial section of an annular element.
Fig. 17 shows, in section, the penetration thickness in a grooved washer.
Fig. 18 shows a diametrical section of a coated annular element.
Fig. 19 shows a section made by the broken line XIX-XIX of fig. 18. FIG. 20 shows a variant of FIG. 19. FIG. 21 shows, on a larger scale and partially, another variant. Fig. 22 shows a partial radial section of a machine constituting an electromagnetic brake.
Fig. 23 shows in section the detail of an annular element at the location of its attachment.
Fig. 24 shows in partial section another embodiment.
If we assume that four parallel rings of rectangular section 1 run through the native alternating current, as can be seen in FIG. 1, only the superficial regions 2 are traversed by currents. If the four washers are brought together until contact, the useful section of the peripheral region 3 traversed by the current becomes distinctly less than the sum of the useful sections 2. It follows that the effective resistance is lower, with separate rings only with rings in contact; with a frequency of 50 periods per second in steel, the effective resistance is one third of that obtained for the parts in contact; for the same current transported, the losses and the temperature reached are lower with separate rings.
The number of washers is naturally not limited to four.
These results are well known and similar phenomena occur when the material constituting the rings is a magnetic material and when said rings are the site of longitudinal alternating magnetic fields. Eddy current losses no longer depend on the total mass or even the total section of the metal, but on the surfaces of the metal masses, parallel to the lines of force; only the peripheral layers 2 conduct the lines of force like eddy currents, while the central parts are completely devoid of them.
The effective reluctance of a set of rings is markedly lower when the rings are separated and it is therefore possible to pass in separate rings a greater flux than in the single section of equivalent value shown in fig. 2, for the same number of inductor ampere-turns and a maximum flux also greater, if the ampere-turns are increased. Eddy current losses, which vary with a power of the flux (3rd or 4th power, depending on the conditions) are therefore likely to be appreciably increased, an appreciable advantage in the case of eddy current brakes or clutches.
The division of a rotor into separate washers with sufficient distance from the separate parts in such a machine can therefore present a serious advantage over a solid rotor, said washers being fed in parallel and radially, from the outside or from the outside. the interior using an inductor of magnetic fields with successive alternating poles. The separation distance of the washers should be sufficient for each washer to behave, from a magnetic point of view, as if it were isolated and alone. For medium inductions, the distance is of the order of 3 to 6 mm.
However, the increase in the area, parallel to the lines of force of the magnetic field, of a magnetic element traversed by eddy currents can be obtained by other means.
In fact, the penetration thickness of the eddy currents and of the magnetic flux in a magnetic part of this type can easily be calculated according to the electrical and magnetic characteristics of the substance in question and according to the frequency of the alternating field. This thickness represents the depth for which the magnetic field and the eddy currents would be supposed to have uniformly the value which they have at the external surface and which is the maximum value.
The penetration thickness calculated in this way also makes it possible to deduce the flux from the maximum value of the induction, the flow passage surface being theoretically the product of this penetration thickness by the perimeter length of the surface. parallel to the lines of force.
Given that, to increase this flux for a given metal and a given frequency, one cannot play on the penetration thickness which is constant, it is necessary to act on the length of the surface parallel to the lines of force. This is achieved by creating on this element asperities or reliefs whose dimensions are at least equal to twice the penetration thickness.
As seen in fig. 3, the homopolar stator 4 with teeth 5 is associated with a rotor comprising a drum 6 supported from place to place by radial arms 7 or by a web of non-magnetic material. The circular faces 8 and 9 of the drum 6 are provided with asperities such as radial teeth 10. Such teeth can be located opposite one another, as shown in FIG. 5.
Fig. 6 shows teeth 11 arranged so that the thickness of the drum 6a remains constant, which is advantageous both for the consistency of the flux which passes through the ring, for the absence of the creation of parasitic eddy currents in the surfaces facing the fixed teeth 5 not capable of being effectively cooled, only to avoid a siren effect of the rotor in the stator. The crown 6, instead of being in one piece, could be constituted by the association of two washers 6b and 6c, as shown in FIG. 7, or a greater number of washers, said washers having teeth located face to face.
By these means, an increase in the perimeter length of the surfaces parallel to the lines of force is obtained, which is favorable both with regard to electromagnetic phenomena and the possibilities of thermal evacuation in the environment which surrounds the machine.
As shown in fig. 8, in a heteropolar machine whose inductor is formed by nested poles 12, 13 of alternating polarities and whose rotor 14, cylindrical, can be in one piece or in several parallel washers, the direction of the field in each washer is straightforward. radial first, as shown at 15 by the arrows and then circumferential, as shown at 16.
To increase the length of the surfaces parallel to the lines of force, the rotor or each element of such a rotor has radial grooves 17 over a certain height in the vicinity of the air gap 18 and, on the outer region of the rotor, circular grooves 19. The splines are thus arranged to create surface increases parallel to the lines of force, approximately following said lines.
In this example, the radial grooves have an energetic ventilation action if they are sufficiently deep, and these grooves are moreover favorable to inexpensive manufacture by stamping.
In a heteropolar machine, as shown in fig. 11, for example, the rotor is formed by a disc rotating in front of fixed inductor poles of successive opposite signs and the lines of force in these discs are, over the major part of their path, directed along circumferences concen tric to the axis of rotation. To increase the surface parallel to the lines of force, it suffices to provide in the disc 20 large circular grooves 21. It is also possible to provide grooves 22 in the pole surfaces of the poles 23.
In fig. 11 is shown a disc comprised between two series of symmetrical poles 23 and 23a, but it is obvious that the disc could cooperate with a series of poles placed on one side only.
To take into account the thermal expansion of the disc 20 during operation, external cylindrical air gaps 24 are provided which are wider than the internal cylindrical air gaps 25 for each of the grooves and mating grooves. The value of the reluctance of the air gap in general does not therefore undergo any appreciable increase due to the increase in surface area produced by the grooves, surface area approximately doubled.
As seen in fig. 12, which shows a disc rim 26 intended to be associated with a series of poles located on one side, there is provided on the active face from the magnetic point of view of the grooves 27 of large dimensions, clearly greater than the size. depth of penetration, and much finer grooves 28, arranged on the opposite face, grooves which can easily be finer since they have no role from the magnetic point of view.
Fig. 13 shows a variant of a disc rim mounted between two series of opposite poles in pairs and of alternating polarities, a case similar to that of FIG. 11. In this case, the pole faces of the poles 29 and 29a are smooth. The active rim is divided into three washers 30, 31, 32, coaxial and of increasing diameters. The ends of each ring have corrugations 33 and 33a similar to corrugations 17, for example, while the central region of each washer is provided with circular grooves 34. Perforations 35, aligned or not, are provided to cooperate with cooling by action. centrifugal on air.
Another particularly appreciable advantage is the increase in the area parallel to the lines of force of the body where eddy currents can occur in a clutch, for example, and more particularly in a brake: the same flow can pass through a full section. lower, the result is the possibility of reducing the moment of inertia of. rotor, at equal flow, therefore at equal torque.
We see in fig. 14 and 15, two successive poles 41 and 42 of a heteropolar stator, that is to say a stator at the periphery of which alternate poles of opposite signs follow one another; this stator is surrounded by a rotor 43 formed, for example, by the union of rings of which only one is shown. This ring 43 offers an approximately triangular radial section, for example, to present, for equal mass, a face 44 (FIG. 16) extended opposite the polar surfaces 45 and 46 of the successive poles.
The magnetic lines of force 47 which go from pole 41 to pole 42 internally to the ring 43, have circular paths concentric with the ring over a large part of their path, these paths being framed by fittings oriented perpendicular to the stretch. face 44 in the region which faces pole surfaces 45 and 46, as mentioned above.
During the passage of a pole 41 to the next pole 42, the magnetic flux, at each point of the ring 43, has changed direction and the currents induced in the ring 43 are annular currents, that is to say ie located at the periphery of each ring 43, along its transverse perimeter.
As seen in fig. 17, the penetration thickness of the eddy currents is limited to the zone 43c, the splines having both an electromagnetic action and a thermal action contributing to increasing the braking power.
To further increase this power, that is to say in a corresponding manner, the intensity of the eddy currents, each of the rings 43 may or may not be coated over its entire surface using a layer. of material with high electrical conductivity such as copper or aluminum.
This coating can affect the entire perimeter of each of the washers or only part of the perimeter. It is advantageous, given the annular shape of the circulating currents, that the long faces, that is to say the side faces of each washer, are lined with the high conductivity material; the face 44, for reasons of the narrowness of the air gap, may remain uncoated.
As seen in Figs. 18 and 19, the ron delle 43a receives a coating 48. The visible side surface 49 of each face of the washer 43a is provided with grooves 50, these grooves being able to be made using a tool or to have come from a foundry. on the coating alone (fig. 19). The very face of the magnetic material which constitutes the washer 43b may have grooves 51 (FIG. 20), the coating 48b retaining a corresponding shape grooved on the outside.
It is also possible to provide large-dimension grooves in the surface of the magnetic material washer 43d and have fine grooves on the surface of the non-magnetic layer 48c with high electrical and thermal conductivity (FIG. 21).
Each of the washers is provided, preferably, with a series of holes 52, distributed on concentric circles and offset with respect to one another so as to lie on different radii.
Under these conditions, the high conductivity outer coating constitutes an annular circuit of low resistance in which induced currents reach very high intensities. The coating of high conductivity metal can be connected, through the holes 52, suitably filled with the same high conductivity material, to conductors which are contained in said holes 52, conductors which cooperate in the shortening of the circuits traversed by them. induced currents, which reduces the resistance of said circuits, increases the intensity of said currents and finally increases the value of the braking torque.
To prevent the currents induced in the conductors which are contained in these holes 52 are in phase and cancel each other out with, as a consequence, the fact that these conductors do not contribute to the increase in the resisting torque, it is necessary that the different series of holes 52 are offset in the direction of movement (Fig. 18).
The arrangement of the grooves 50 is carried out both from a thermal point of view and from a magnetic point of view.
In fact, the grooves have a considerable thermal role since they allow an increase in the exchange surface area and even more an increase in exchange efficiency by creating violent turbulence in the flow of the air streams of cooling.
Moreover, from the magnetic point of view, they increase the transverse perimeter of the washers. As a result, the penetration thickness being considered to be determined, the cross section of the magnetic flux, that is to say the product of the transverse perimeter by the penetration thickness, is greatly increased, provided that the facets of said grooves have dimensions at least equal or at least of the same order of magnitude as the penetration thickness itself (fig. 17).
The resistive torque varies very quickly as a function of the magnetic flux (the function which links these two quantities is at least of the third degree) and it is observed that the grooves allow a more considerable flux to pass, resulting in a marked increase of the value of the braking torque, despite the apparent increase in the resistance of the circuit traversed by an increase in its length, since this increase in resistance varies only linearly with the increase in length.
For example, the penetration thickness being about 2.5 mm with ordinary steel and a frequency of 100 periods per second, one can be assured of an appreciable gain for this frequency and even more marked for frequencies. higher, on condition that the width of the fluting facets is at least 2 mm.
The ventilation of the washers thus formed, coated or not with a more conductive layer than the magnetic material which constitutes them, can be ensured by various means and, in particular, as shown in FIG. 22 and in fig. 23, using blades 54. In the case of FIG. 22, the washers 43, fluted and provided with blades, are mounted on the veil 55 of a rotor using bolts 56 and spacers 57, flat surfaces 58 being provided in the surface of the washers for allow the support of the spacers 57 and the tightening nuts 59.
It is advantageous to arrange in the poles 60 of the heteropolar cross-toothed stator 61 grooves 62 which improve the distribution of the cooling air at the inlet between the washers.
In fig. 24 is shown a form of execution in which the washers 43e are joined in a non-removable manner to a rim 63 in which are made perforations 64 elongated in arcs of a circle and which serve as an inlet for the cooling air, vanes 64a sucking in and expelling this fluid, the partitions which remain between the perforations 64 successively only having a role of mechanical support and a negligible role from the magnetic point of view.
In order to allow a constant and well distributed action of the magnetic flux on all the washers, the teeth of the stator have faces of somewhat rectangular shape. In this way, equal flows enter all the washers. It is also appropriate, in addition, that the input section of the flux is at least equal to the radial section of the magnetic material of the washer.
The fact of providing a radial section with an enlarged base for each washer makes it possible to increase the number of poles of the stator, resulting in an increase in the frequency of the induced currents and the consequent increase in the braking torque, pro portional to the square root of said frequency.
The machines thus constructed can produce very high braking powers, powers which are retained at low rotational speeds.