Accouplement à induction électromagnétique La présente invention concerne un accouplement à induction électromagnétique, destiné par exemple, à transmettre un couple d'un arbre d'entraînement à un arbre commandé, ou à agir comme frein électro dynamique sur un arbre commandé.
Dans les accouplements à induction électromagné tique, le flux d'induction dans le stator engendre dans une cage des courants induits qui produisent un flux opposé qui réduit la valeur effective du flux d'induc tion; ce flux induit aussi une composante réactive, de sorte que l'accouplement présente une caractéris tique couple-vitesse telle que, pratiquement pour toute valeur du couple de charge, il y a deux angles de glissement possible. De ce fait, la vitesse de ces accouplements dépend, pour n'importe quel couple, des conditions existant avant l'application du nouveau couple. Un accouplement de ce genre est instable de nature.
Afin de réduire les courants déwattés du sta tor, on utilise des accouplements à courants de Fou cault comprenant un grand nombre de pôles provo quant une variation à haute fréquence de l'intensité du champ, ce qui réduit le flux de fuite entre le stator et la cage. Les pertes par courants de Foucault sont alors élevées et la valeur effective du flux très faible. On augmente le rendement et on réduit la déforma tion du flux en évasant les pôles du rotor de façon à obtenir une forte concentration du flux dans l'en- trefer, et la cage doit donc être en matière magné tique ou doit être très peu épaisse, et être disposée dans un entrefer étroit séparant le rotor et le stator.
Des accouplements de ce genre sont aussi instables dans une grande partie de leur gamme de couples. Afin d'augmenter la stabilité, on a utilisé une cage en acier mais ceci exige des tolérances d'usinage très étroites et un équilibrage dynamique très précis, le rendement restant cependant faible. La présente invention a pour but de procurer un accouplement de fabrication simple et économique, ayant un rendement supérieur au rendement des accouplements connus jusqu'ici.
L'accouplement à induction électromagnétique objet de l'invention comprend un rotor en matière magnétique présentant plusieurs pièces polaires en saillie vers un stator qui est aussi en matière magné tique et disposé coaxialement avec ledit rotor mais espacé de celui-ci de façon à déterminer avec ledit rotor, entre les pièces polaires en saillie et le stator, un entrefer pratiquement annulaire, un organe rotatif présentant une partie pratiquement cylindrique dis posée dans ledit entrefer,
et des moyens fixés audit stator pour produire un champ magnétique d'excita tion dont les lignes de force engendrent un flux de forme générale toroïdale dont l'axe coïncide prati quement avec l'axe de rotation du rotor.
Cet accouplement est caractérisé en ce que l'or gane rotatif est constitué entièrement en matière non magnétique conductrice de l'électricité, en ce que les pièces polaires sont disposées axialement uniquement à une des extrémités du rotor, en ce que lesdits rotor et stator comprennent chacun un corps s'étendant axialement à partir dudit entrefer annulaire dans la même direction,
ces corps étant accouplés magnéti- quement dans une zone axialement éloignée dudit entrefer et dans laquelle le flux magnétique s'étend radialement à travers un espace libre d'épaisseur uni forme destiné à permettre la rotation du rotor,
et en ce que le flux magnétique passe en direction axiale dans lesdits corps du rotor et du stator et radiale- ment d'une part à travers les pièces polaires et d'au tre part à travers une partie s'étendant radialement entre lesdits corps à leur extrémité éloignée dudit entrefer, le tout étant agencé de manière que les pièces polaires en saillie aient la même polarité et que le flux magnétique passe une seule fois à travers la dite partie cylindrique de l'organe rotatif disposée dans l'entrefer annulaire et soit normal à cette par tie,
de manière que la génération de courants para sites dans l'organe rotatif et les pertes qui en résultent soient réduites au minimum.
Un tel accouplement à induction peut être cons truit soit avec un rotor annulaire entourant le stator et pourvu de pièces polaires en saillie vers l'intérieur, soit avec un stator annulaire entourant un rotor pour vu de pièces polaires en saillie vers l'extérieur.
Le flux magnétique toroïdal peut être produit électriquement par une ou plusieurs bobines d'exci tation alimentées par du courant continu ou alterna tif. Ou bien, le flux magnétique toroïdal peut être produit par un ou plusieurs aimants permanents. Quand on utilise un courant d'excitation électrique, le champ magnétique peut être modifié, par ' exemple si l'on désire faire varier la vitesse ou le couple de l'accouplement. Il est aussi possible de faire varier l'intensité du champ magnétique dans le cas de l'utili sation d'un ou de plusieurs aimants permanents, soit en réglant deux ou plusieurs aimants entre eux, soit en disposant un shunt réglable ou un entrefer réglable dans le ou les aimants.
Le corps du rotor peut être constitué par une pièce en fer généralement cylindrique dont la lon gueur axiale est plus grande que la longueur axiale des pièces polaires en saillie radiale à une extrémité de ce corps. Les pièces polaires peuvent être consti tuées par un empilage de tôles de fer et présenter la forme de doigts radiaux s'évasant circonférentielle- ment vers l'extérieur, de façon que la dimension cir- conférentielle des extrémités des pièces polaires soit plus grande que le reste de ces pièces.
Quand l'ac couplement comprend un rotor entouré d'un stator cylindrique, le rotor peut être constitué par un noyau en fer généralement cylindrique portant, à une extré mité, des pièces polaires en fer feuilleté.
L'organe rotatif, en une matière non magnétique conductrice de l'électricité, peut être constitué en cuivre, en aluminium ou en un alliage de cuivre ou d'aluminium ; il peut cependant être constitué en tous métaux non ferreux.
Le corps du stator peut être constitué par une pièce cylindrique en fer magnétique ou en tôles. Dans les cas où le stator entoure le retor, le stator peut consister en un empilage de tôles concentriques dis posées dans le sens axial de l'accouplement.
Le rotor et l'organe rotatif peuvent être montés de façon rotative sur des arbres séparés ; les arbres sont alors concentriques et l'un sert d'arbre de com mande de l'accouplement tandis que l'autre sert d'ar bre commandé.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution de l'accouplement objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale d'un accouplement à induction constituant la première forme d'exé cution. La fig. 2 est une vue en bout et une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe axiale d'un accouplement à induction semblable dans l'ensemble à celui de la fig. 1 mais comprenant un dispositif de refroidisse ment modifié, et constituant la deuxième forme d'exécution.
La fig. 4 est une coupe axiale schématique d'un accouplement constituant la troisième forme d'exé cution. Comme les fig. 1 et 2 le montrent, l'accouple ment comprend un arbre 1 portant un noyau de rotor en fer 2 de forme générale cylindrique et dirigé axialement, sur une extrémité duquel est monté un empilage de tôles 3 en fer magnétique constituant les tôles primaires et clavetées sur le noyau de rotor 2 de façon à tourner avec lui et avec l'arbre de com mande 1. Ces tôles ont la forme de pôles 4 s'évasant à leurs extrémités extérieures 4a. Un second arbre 5 porte une cage 6 clavetée sur cet arbre et tournant avec lui.
La paroi extérieure 6a de la cage est rela tivement épaisse comparativement à des constructions connues d'accouplement, et a une forme générale cylindrique avec une section transversale d'épaisseur pratiquement uniforme, cette paroi extérieure entou rant les pièces polaires 4 tout en étant espacée. La cage est construite, de préférence, en aluminium ou en cuivre, l'aluminium ayant l'avantage d'une faible inertie.
Les arbres 1 et 5 sont montés respectivement dans des paliers 8 faisant partie de capots d'extré mité 9 en aluminium coulé, entre lesquels se trouve un anneau de stator 10 en fer magnétique qui entoure les pôles 4 et la cage 6. La partie 6a de la cage se trouve dans un entrefer annulaire 7 compris entre les pièces polaires 4 et l'anneau de stator 10. Les capots d'extrémité 9 et l'anneau de stator 10 constituent en semble la carcasse de l'accouplement. Des paliers sup plémentaires, 8a sont disposés entre l'arbre 5 et l'inté rieur du noyau de rotor 2. Entre l'anneau de stator 10 et l'extrémité du noyau 2 la plus éloignée des pôles 3 se trouve une pièce magnétique consistant en un empilage de tôles de fer annulaires 11 constituant des tôles secondaires attachées au capot d'extrémité voisin 9 par des vis 12.
Le noyau de rotor 2 traverse l'ouverture centrale de ces tôles. Une bobine d'excitation 14 de forme annulaire, suspendue aux tôles secondaires 11 à l'aide de pinces 13, entoure le noyau de rotor 2 et est bobinée de façon que ses spires soient concentriques au noyau de rotor.
L'accouplement est refroidi par un ventilateur 15 monté de telle façon sur les tôles primaires de rotor 3 que l'air froid, aspiré de l'extérieur par des ouver tures 16 pratiquées dans les capots d'extrémité 9 et par des ouvertures 18 du moyeu de la cage 6 et des tôles secondaires 11, agisse directement sur la paroi annulaire 6a pour évacuer l'énergie convertie en cha leur dans cette paroi. Une boite à bornes 19, montée sur la carcasse, permet de connecter les fils d'ali mentation à la bobine d'excitation 14.
L'accouplement décrit fonctionne de la manière suivante: quand la bobine d'excitation 14 est ali mentée par une source d'énergie électrique qui peut être à courant alternatif ou à courant continu, un champ magnétique s'établit autour de la bobine, et ses lignes de force constituent un flux toroïdal dont l'axe se confond avec l'axe des deux arbres 1 et 5.
Le circuit magnétique complet va du noyau de rotor 2, vers l'extérieur par les tôles primaires 3, au travers de l'entrefer 7 contenant la paroi annulaire de la cage 6 et le long de l'anneau de stator 10, jus qu'aux tôles secondaires 11. Si la bobine est alimen tée en sens opposé, le champ est inversé, mais le fonctionnement de l'accouplement reste le même.
Comme les tôles primaires sont aimantées, quand l'arbre 1 est stationnaire et la bobine 14 excitée, la cage 6 est traversée par un champ magnétique uni directionnel. Si l'arbre 1 tourne, le champ magné tique régnant dans l'entrefer tourne avec lui et induit des courants de Foucault dans la cage.
Comme la cage est construite en une matière à haute conductibilité, de forts courants induits peu vent circuler sans produire une quantité de chaleur exagérée, ces courants circulant axialement le long de la cage au-dessus des faces polaires 4a, pour en suite se déplacer circonférentiellement le long d'une extrémité de la cage, revenir axialement le long de la cage entre les pôles et se déplacer circonférentielle- ment le long de l'autre extrémité de la cage.
Les courants induits dans la cage produisent à leur tour des champs magnétiques réagissant sur 1e champ principal de sorte que la cage est soumise à un couple entraînant celle-ci dans le même sens de rotation que celui du champ magnétique principal et, par conséquent, entraînant l'arbre 5.
La vitesse de rotation de l'arbre commandé 5 relativement à celle de l'arbre de commande 1 est déterminée, pour toute charge, par le glissement rela tif entre les deux arbres donnant lieu à des courants induits dans la cage d'une intensité donnant un cou ple suffisant pour vaincre le couple exercé par la charge sur l'arbre commandé. La vitesse de l'arbre 5 est donc fonction de la vitesse de l'arbre de com mande et de l'intensité du champ magnétique pro duit par la bobine 14.
Si la bobine d'excitation 14 est alimentée par du courant alternatif, il est préférable que le noyau de rotor 2, l'anneau de stator 10 et les tôles 3 et 11 soient en un alliage de fer à plus haute résistivité, afin de réduire les pertes. Si, au contraire, la bobine 14 est alimentée en courant continu, le noyau de rotor 2 peut être en fer forgé, et les tôles primaires 3 peuvent aussi être en fer forgé ou en une qualité de tôle ordinaire.
Les pôles 4 sont conformés de façon que la va riation de la densité de flux soit approximativement sinusoïdale le long de la cage 6, tout le flux étant ainsi utilisé efficacement. Quand l'accouplement décrit est destiné à être utilisé comme un accouplement à vitesse variable, le degré de couplage entre les arbres de commande et commandé est réglé par l'excitation de la bobine 14, ce qui s'effectue normalement à l'aide d'un simple rhéostat.
Ce réglage de vitesse est sans à-coups et peut être varié d'une manière continue entre zéro et environ 95 /o de la vitesse de l'arbre de commande, dans l'hypothèse d'une pleine charge appliquée à l'ar bre commandé.
Quand l'accouplement est utilisé comme frein électrodynamique, l'arbre 1 peut être freiné et la charge à commander, connectée à l'arbre 5, fait tour ner la cage 6. Quand l'excitation de la bobine 14 augmente, un couple de freinage se produit dans la cage 6, sa valeur étant proportionnelle au courant d'excitation. L'effet d'un frein de ce genre est varia ble d'une manière continue par variation de l'exci tation de la bobine 14.
Il va de soi que l'énergie d'entrainement peut être appliquée à l'un ou à l'autre arbre de l'accou plement sans qu'il y ait une différence notable dans le rendement.
La fig. 3 représente un accouplement générale ment semblable à celui décrit en référence aux fig. 1 et 2 mais comportant, en vue de son refroidissement, deux ventilateurs centrifuges semblables 15a et<I>15b,</I> le ventilateur 15a étant porté par les tôles primaires de rotor 3 et le ventilateur 15b par la cage 6. Des ouvertures 18, pratiquées dans le moyeu de la cage, établissent la communication d'air entre les deux ventilateurs ; la circulation de l'air dans raccouple- ment est indiquée par des flèches.
Les deux ventilateurs sont disposés de façon à créer des circulations d'air en sens opposés au travers de l'accouplement, quand les arbres 1 et 5 tournent dans le même sens. De cette manière, le volume to tal et le sens de l'air de ventilation traversant l'accou plement dépendent de la différence entre les vitesses de rotation des deux ventilateurs 15a, 15b et de ce que l'un ou l'autre ventilateur tourne le plus vite.
Le fonctionnement de ce dispositif de refroidisse ment est décrit ci-après. Comme précité, l'accouple ment peut être utilisé avec l'arbre 1 ou l'arbre 5 comme arbre de commande ou d'entraînement. Quand un couple de pleine charge est appliqué à un ded arbres et qu'une machine motrice est reliée à l'autre arbre, il y a une différence de vitesse entre les deux arbres à cause du glissement de l'accouplement, et la différence entre ces vitesses de rotation des deux ventilateurs, produit un passage d'air au travers de l'accouplement.
Le ventilateur solidaire de l'arbre de commande tourne plus vite et fait passer suffisam ment d'air entre les pales du ventilateur le plus lent, à l'encontre de l'air circulant en sens opposé et pro duit par ce dernier ventilateur, pour refroidir la machine.
Si l'arbre commandé tourne plus lentement sous pleine charge, la différence entre les vitesses de ro tation des deux ventilateurs augmente, et il en est de même de la quantité totale d'air qui traverse l'accou plement, ce qui permet de mieux refroidir et d'éva cuer la plus grande quantité d'énergie dissipée en chaleur dans la cage de l'accouplement. Le refroi dissement maximum est obtenu quand l'arbre com mandé est immobilisé et que la pleine excitation est appliquée à l'accouplement ; dans ce cas d'ailleurs toute l'énergie fournie par l'arbre de commande est dissipée en chaleur dans la cage.
A ce moment ce pendant, un seul ventilateur est en action et, comme il n'y a pas d'air provenant de l'autre ventilateur pour s'opposer au premier, le volume d'air traversant l'accouplement sous l'effet de ce seul ventilateur cor respond au maximum possible et assure la ventila tion et le refroidissement nécessaires pour réduire la température de l'accouplement.
On peut constater que la disposition décrite pro cure la réfrigération nécessaire à pleine charge pour toutes les vitesses, sans une perte inutile de puissance par refroidissement exagéré aux vitesses élevées. De cette manière on améliore le rendement général de l'accouplement.
La fig. 4 est une coupe schématique axiale d'une autre forme d'exécution dans laquelle le rotor 22 en toure le stator 20. Le stator consiste en une pièce en fer magnétique de forme générale cylindrique com prenant une partie centrale 20a entourée par une bobine d'excitation annulaire 21 et deux parties d'extrémité 20b et 20e ayant un plus grand diamètre que la partie centrale 20a, le diamètre de la partie d'extrémité 20b étant d'autre part supérieur à celui de la partie d'extrémité 20c.
Le rotor 22 consiste en une pièce en fer de forme générale cylindrique compre nant des pièces polaires feuilletées 24 en saillie vers l'intérieur dans la direction de la partie d'extrémité 20c du stator et délimitant un entrefer annulaire 27 entre le rotor et le stator. Le rotor tourne sur des roulements 28 montés sur le pourtour de la partie d'extrémité 20b du stator. La cage 26, en une ma tière non magnétique conductrice de l'électricité comme le cuivre ou l'aluminium, a une partie cylin drique 26a disposée dans l'entrefer annulaire 27 et est clavetée sur un arbre 25.
La carcasse de l'accou plement n'est pas représentée, celle-ci pouvant être construite de toute façon voulue. Le rotor 22 peut être entraîné par une courroie passant sur son pour tour, ou bien ce pourtour peut être pourvu de dents destinées à être entraînées par une roue dentée ou une chaîne engrenant avec ces dents. Il va de soi que le rotor peut aussi être monté sur un arbre rotatif concentrique à l'arbre 25, si on le désire.
Cette forme d'exécution fonctionne de façon semblable à la forme d'exécution représentée aux fig. 1 et 2, la différence principale résidant en ce que, dans la forme d'exécution de la fig. 4 le rotor et les pièces polaires se trouvent à l'extérieur de la cage et le stator à l'intérieur de la cage.
Dans les accouplements décrits, comme la ma tière de la cage est choisie principalement en fonc tion de sa conductibilité électrique, le rendement de l'accouplement peut dépasser 80 o/' à pleine charge et à la vitesse nominale maximum. On entend ici par rendement, le rapport entre la puissance fournie à l'arbre de commande et celle disponible sur l'arbre commandé. En outre, puisque la cage est non magné tique, il n'y a pas de grandes forces magnétiques ra diales de déséquilibre comrie il en existe actuellement dans des accouplements électromagnétiques connus, ces forces provoquant une usure sévère des paliers de l'accouplement.
Les accouplements décrits n'exi gent que des tolérances d'usinage normales en cours de fabrication et des équilibrages dynamiques nor maux.
Dans des accouplements tels que ceux représen tés, les lignes de force de l'enroulement d'excitation ne coupent la cage qu'une seule fois, et on utilise un petit nombre de pôles pour réduire la fréquence de fluctuation de l'intensité du champ. Le nombre de pôles de l'accouplement est déterminé, entre au tres, par la vitesse à laquelle l'arbre de l'accouple ment doit être entraîné. Pour des accouplements à vitesse de 1500 tours/minute, on peut utiliser six pôles, le nombre de pôles pouvant être augmenté à des vitesses inférieures. On peut utiliser quatre pôles à 3000 tours/minute, et deux pôles seulement pour une vitesse allant au-delà de 6000 tours/minute, de préférence avec une cage à plus haute résistivité pour assurer la stabilité.
C'est ainsi que la cage peut être construite en cuivre, métal de faible résistivité, dans des accouplements destinés à fonctionner à des vi tesses faibles, et en un alliage d'aluminium ayant une résistivité supérieure de 50 o/o dans des accouplements destinés à fonctionner à des vitesses plus élevées.
En outre, l'angle polaire, dans des accouplements tels que ceux décrits, est augmenté par évasement de l'extrémité extérieure des pôles qui sont conformés de façon à réduire la densité du flux dans l'entrefer et aussi de façon à maintenir le flux de fuite du champ magnétique principal à un minimum entre les pôles. La diminution de la densité de flux qui en résulte nécessite une cage à faible résistance élec trique ; il est donc souhaitable d'utiliser une cage à paroi épaisse.
Par exemple, l'accouplement représenté peut être monté dans la même carcasse que celle d'un moteur électrique ou d'une autre machine motrice qui doit entraîner l'arbre de commande. Ou bien, la carcasse de l'accouplement peut être agencée de façon à pou voir être facilement boulonnée sur la carcasse d'un moteur électrique auquel elle doit être associée.
Si on le désire, au lieu d'utiliser des pièces polai res feuilletées, les pièces polaires peuvent être en fer massif, dans le cas d'accouplement à courant con tinu. Dans le cas d'accouplements à courant alterna tif, on peut faire usage, pour les pièces polaires, d'une matière magnétique granuleuse réunie par un liant non conducteur.
En outre, au lieu d'utiliser une seule bobine d'ex citation, le champ magnétique pourrait être produit par un ensemble de plusieurs bobines d'excitation.