CH664653A5 - Ralentisseur a courants de foucault. - Google Patents

Description

DESCRIPTION

L'invention est relative aux ralentisseurs électriques destinés à ralentir un arbre rotatif et comprenant:

— d'une part, un stator inducteur électromagnétique solidaire du support de l'arbre et comportant au moins une couronne discontinue de pôles électriques saillants à polarités alternées, et

— d'autre part, un disque rotorique induit en matériau magnétique solidaire de l'arbre et monté coaxialement à la couronne de pôles de façon à défiler axialement en regard de cette couronne dont il n'est séparé que par un entrefer annulaire de faible épaisseur.

Elle vise plus particulièrement, parmi ces ralentisseurs, ceux dans lesquels les pôles formant la couronne discontinue sont constitués par des noyaux cylindriques ou prismatiques en matériau magnétique entourés par des enroulements de fil électrique, noyaux s'étendant parallèlement à l'axe de l'arbre et se terminant, au niveau de l'entrefer, par des extrémités épanouies, lesquelles sont généralement constituées par des plaquettes rapportées sur lesdits noyaux, lesdites extrémités étant désignées ci-après par l'expression «épanouissements polaires».

Elle vise plus particulièrement encore, mais non exclusivement, parmi ces ralentisseurs, ceux qui équipent les véhicules et pour lesquels l'induit rotorique est solidaire de l'arbre de transmission à ralentir du véhicule, l'inducteur étant solidaire du châssis qui supporte le ralentisseur et l'arbre.

Dans ce qui suit, on appellera:

— «direction circonférentielle», la direction d'un cercle centré sur l'axe du ralentisseur, le mot «circonférentiellement» signifiant «selon une direction circonférentielle»,

— «section circonférentielle» d'un épanouissement polaire, la section de cet épanouissement par la surface cylindrique de révolution admettant pour axe celui de l'appareil, passant par le centre de la surface terminale dudit épanouissement, et normale à cette surface,

— «corne d'entrée» et «corne de sortie» d'un épanouissement polaire, repectivement le bord «amont» ou «arrière» et le bord «aval» ou «avant» de cet épanouissement considéré circonférentiellement par rapport au sens de défilement relatif du disque induit, en ce sens qu'en défilant devant chaque épanouissement, chaque point de ce disque se déplace de la corne d'entrée à la corne de sortie dudit épanouissement.

Dans les modes de réalisation connus des ralentisseurs du genre ci-dessus, la section circonférentielle de chaque épanouissement polaire présente un contour symétrique par rapport au plan passant par l'axe du ralentisseur et par l'axe du noyau correspondant.

L'invention a pour but, surtout, d'augmenter les couples dus à la création des courants de Foucault dans les ralentisseurs considérés pour un poids et un encombrement donnés de ces appareils.

A cet effet les ralentisseurs en question selon l'invention sont caractérisés en ce que la section circonférentielle de chaque épanouissement polaire est dissymétrique par rapport au plan passant par l'axe du ralentisseur et par l'axe du noyau correspondant, en ce sens que sa corne d'entrée s'étend plus loin de ce plan que sa corne de sortie.

Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes:

— chaque épanouissement polaire présente, selon une vue en bout considérée parallèlement à l'axe du ralentisseur, la forme générale d'un trapèze isocèle, à angles de préférence arrondis, dont le centre est décalé circonférentiellement, par rapport à l'axe du noyau correspondant, dans le sens contraire à celui de la rotation du disque,

— dans un ralentisseur selon l'alinéa précédent, la section droite de chaque noyau présente la forme générale d'un trapèze isocèle, à angles de préférence arrondis,

— l'épaisseur de chaque épanouissement polaire comptée perpendiculairement à sa surface terminale est constante sur toute l'étendue de celui-ci,

— l'épaisseur de chaque épanouissement polaire comptée perpendiculairement à sa surface terminale est relativement petite, en ce sens que le rapport entre cette épaisseur et le diamètre extérieur du disque est compris entre 1/50 et 1/30,

— la surface définissant la tranche de la corne de sortie de chaque épanouissement polaire est perpendiculaire à la surface terminale de cet épanouissement et tangente à la surface latérale du noyau correspondant,

— la corne d'entrée de chaque épanouissement polaire s'étend circonférentiellement au moins jusqu'à la surface latérale de l'enroulement qui entoure le noyau terminé par l'épanouissement voisin.

L'invention comprend, mis à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après.

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Dans ce qui sui, l'on va décrire des modes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendu non limitative.

La figure 1, de ses dessins, montre en vue en bout partielle le stator inducteur d'un ralentisseur à courants de Foucault pour véhicule établi selon l'invention.

La figure 2 montre en coupe «circonférentielle» partielle selon II-II, figure 1, agrandie et développée, l'ensemble de ce stator et d'une partie du rotor induit dudit ralentisseur, ladite coupe faisant apparaître la distribution du champ magnétique dans les pièces magnétiques.

La figure 3 montre à titre comparatif une coupe d'un ensemble stator-rotor connu effectuée semblablement à celle de la figure 2, c'est-à-dire faisant apparaître la distribution du champ magnétique dans les pièces magnétiques, distribution qui n'était pas connue avant l'invention.

La figure 4 est un graphique permettant de faire ressortir l'intérêt de l'invention.

La figure 5 montre schématiquement en bout deux pôles d'un ralentisseur à courants de Foucault établi selon une variante de l'invention.

D'une façon connue en soi, le stator du ralentisseur comprend dans chaque cas une couronne d'électroaimants identiques 1 en nombre pair (huit dans le cas présent), répartis régulièrement autour de l'axe X du ralentisseur et composés chacun d'un noyau 2 cylindrique ou prismatique d'axe Y parallèle à X et d'un enroulement 3 de fil électrique entourant ce noyau.

Chaque noyau 2 est monté sur un support commun 4 qui présente par exemple la forme d'au moins une cuvette et qui est lui-même monté sur le châssis du véhicule ou encore sur le carter du pont ou de la boîte de ce véhicule.

Chaque enroulement 3 est maintenu sur son noyau 2 par vissage d'une plaquette débordante 5 sur l'extrémité de ce noyau, notamment à l'aide d'une vis unique 6, le calage angulaire de cette plaquette autour de la vis étant assuré par coopération d'un pion excentré T solidaire de la plaquette avec un alvéole complémentaire du noyau.

Les faces extérieures des plaquettes 5 s'étendent dans un même plan perpendiculaire à l'axe X et constituent ainsi une couronne plane discontinue.

Les enroulements sont connectés électriquement à l'aide de moyens de connexion et de commande appropriés à une source de courant continu, et leurs branchements à cette source sont assurés de façon telle que les plaquettes 5 successives de la couronne qui vient d'être décrite définissent des pôles électriques de polarités alternativement positives et négatives: les plaquettes 5 constituent des «épanouissements» pour ces pôles et sont souvent appelées «épanouissements polaires».

D'une façon également connue en soi, le rotor du ralentisseur comprend au moins un disque continu 8 (figures 2 et 3) solidarisé angulairement avec une portion 9 (figure 1) de l'arbre de transmission du véhicule de façon à défiler en regard de la couronne statori-que, ce disque et cette couronne étant séparés l'un de l'autre par un intervalle annulaire e (figures 2 et 3).

L'épaisseur de cet intervalle e ou «entrefer» est faible et par exemple de l'ordre de 1 à 2 mm.

La flèche F sur les figures indique le sens de déplacement du disque rotorique 8 par rapport à la couronne statorique en regard.

Les noyaux 2, les plaquettes 5 et le disque 8 sont tous constitués en un matériau ferromagnétique de façon à former, pour le flux magnétique engendré par l'excitation électrique des enroulements 3, des circuits magnétiques qui se referment en traversant chacun deux fois l'entrefer e.

C'est ce flux qui induit dans le disque 8, lors des rotations de ce disque, des courants de Foucault qui s'opposent à ces rotations, ce qui a pour effet de freiner l'arbre du véhicule.

Dans les modes de réalisation connus des ralentisseurs électriques du genre décrit ci-dessus, la «section circonférentielle» au sens défini ci-dessus de chaque plaquette ou épanouissement polaire 5 est symétrique par rapport au plan passant par l'axe X du ralentisseur et par l'axe Y du noyau magnétique 2 correspondant.

En d'autres termes, les cornes d'entrée E et de sortie S de chaque épanouissement présentent des sections circonférentielles identiques entre elles, comme bien visible sur la figure 3.

Dans ce cas, lors d'une excitation du ralentisseur, les répartitions du flux magnétique dans ces deux cornes E et S sont identiques lorsque le ralentisseur est à l'arrêt.

Jusqu'à ce jour, on ne savait pas ce qu'il advenait de ces répartitions lorsque l'induit 8 se met à tourner, en raison des perturbations dues à la réaction d'induit.

Il convient de rappeler ici que le phénomène de réaction d'induit a été étudié depuis longtemps pour les machines dynamoélectriques à collecteur et à induit bobiné.

Dans un tel cas, les spires de l'induit sont parfaitement définies en nombre, en dimension et en orientation, et il en est de même du sens et de l'intensité du courant dans chacune d'elles: il est donc facile de calculer le flux de réaction d'induit correspondant à chacune de ces spires et de déterminer l'influence globale de ces flux sur les saturations locales du circuit magnétique.

Pour remédier à de telles saturations, il a déjà été proposé de modifier les longueurs circonférentielles des cornes polaires de certaines de ces machines, dans des sens qui diffèrent selon que ces machines sont des moteurs ou des générateurs (voir le brevet US 2240 652).

La situation est tout à fait différente pour les machines à courants de Foucault.

En effet, ces courants, dont les trajectoires tourbillonnaires se ferment en court-circuit sur elles-mêmes, sont difficiles à identifier, à localiser et à mesurer, et l'on n'était pas parvenu, avant l'invention, à les définir suffisamment pour en déduire des informations exploitables en ce qui concerne les saturations des cornes polaires lors du fonctionnement du ralentisseur.

En mettant en œuvre des méthodes de calcul modernes assistées par ordinateur, la titulaire est parvenue à maîtriser ces questions et même à visualiser les lignes du champ magnétique dans la masse des pièces magnétiques lorsque le ralentisseur fonctionne.

Elle a ainsi découvert que, lorsque l'induit 8 tourne dans le sens de la flèche F, si l'on considère une construction symétrique de chaque pôle comme dans les ralentisseurs connus (figure 3), le flux magnétique est plus concentré dans la corne de sortie S que dans la corne d'entrée E: c'est ce qui est visible sur la figure 3 où les lignes de champ L représentant le flux magnétique sont d'autant plus rapprochées les unes des autres que l'induction magnétique locale est plus élevée.

Cette concentration se traduit par une saturation plus rapide de la corne de sortie S que de la corne d'entrée E, quand on augmente progressivement l'alimentation électrique de l'enroulement 3 correspondant à l'épanouissement 5 considéré.

Pour retarder l'instant où la saturation atteint la corne de sortie S, lors de l'augmentation d'alimentation électrique indiquée, selon l'invention, on décale circonférentiellement l'épanouissement polaire 5 «en arrière», c'est-à-dire dans le sens contraire à celui F de rotation du disque 8.

La titulaire a constaté que, dans ce cas, le champ magnétique est réparti d'une manière plus homogène dans la totalité du volume de chaque épanouissement polaire, la corne de sortie étant en quelque sorte déchargée de son excédent d'induction au profit de la corne d'entrée, qui était auparavant indigente à cet égard.

C'est ce qui est symbolisé par la distribution des lignes de champ L sur la figure 2, laquelle a été établie en adoptant exactement les mêmes hypothèses de fonctionnement que pour la figure 3, la seule différence apportée à la construction de la figure 1 résidant dans le décalage circonférentiel en arrière des épanouissements polaires.

En particulier, toutes les dimensions de ces épanouissements ont été intégralement conservées.

La valeur angulaire a du décalage circonférentiel ci-dessus est de préférence comprise entre A/25 et A/7, si l'on désigne par A le pas

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polaire angulaire, c'est-à-dire l'angle compté autour de l'axe X de l'appareil qui sépare les plans passant par cet axe X et par respectivement les axes Y de deux pôles successifs: dans le cas illustré où le nombre de pôles est égal à huit, cet angle a est de préférence compris entre 2 et 7°.

Si l'on appelle en outre arc polaire l'angle compté autour de l'axe X dans lequel est inscrit un épanouissement polaire, le rapport entre cet arc polaire et le pas polaire angulaire défini ci-dessus est de préférence compris entre 0,65 et 0,90: ce rapport est de l'ordre de 0,80 dans le mode de réalisation illustré.

Dans ce mode de réalisation, en outre,

— l'épaisseur de chaque épanouissement 5, comptée selon une direction axiale, demeure constante sur toute son étendue,

— chaque plaquette constitutive d'un épanouissement 5 présente la forme générale d'un trapèze isocèle à angles arrondis,

— la surface qui définit la tranche Ts, de la corne de sortie S de chaque épanouissement, qui est située circonférentiellement en regard de la tranche TE de la corne d'entrée de l'épanouissement voisin, est tangente à la surface latérale N du noyau 2 terminé par l'épanouissement considéré, tout au moins au niveau de la surafce cylindrique de révolution ayant pour axe l'axe X du ralentisseur et contenant les axes Y des noyaux 2,

— la surface qui définit la tranche TE de la corne d'entrée de chaque épanouissement est tangente à la surface latérale B de l'enroulement ou bobine 3 entourant l'épanouissement voisin,

— les tranches planes mutuellement en regard Ts et TE des épanouissements polaires successifs forment entre elles, deux à deux, un petit angle, chacune d'elles étant délimitée par un plan passant par l'axe X du ralentisseur, mais ces tranches peuvent également être parallèles deux à deux.

L'expérience montre que, d'une façon tout à fait surprenante, dans les ralentisseurs dont les épanouissements polaires sont «décalés» circonférentiellement en arrière de la manière indiquée ci-dessus, les couples de ralentissement engendrés sont très nettement supérieurs à ceux engendrés par des ralentisseurs identiques mais dont les épanouissements polaires sont centrés sur les noyaux correspondants.

Cette amélioration est rendue sensible par le graphique illustré sur la figure 4, sur lequel on a porté:

— en abscisses, les vitesses de rotation V du rotor du ralentisseur en tours/minute, et

— en ordonnées, les couples C engendrés par ce ralentisseur sur l'arbre en mètres • newtons.

La courbe 10 de cette figure 4 correspond à un ralentisseur à épanouissements classiques, c'est-à-dire montés de façon centrée sur les noyaux correspondants, conformément à la figure 3.

La courbe 11 correspond au même ralentisseur dont les épanouissements polaires sont décalés circonférentiellement en arrière par rapport aux noyaux correspondants, c'est-à-dire en sens inverse du sens de rotation (F) du disque, conformément aux figures 1 et 2.

On constate que l'accroissement du couple de ralentissement obtenu, toutes choses égales par ailleurs, par le décalage «en arrière» des épanouissements polaires est considérable, puisqu'il peut atteindre plus de 15% à froid pour certaines vitesses de rotation du rotor, en particulier pour les vitesses relativement faibles, de l'ordre de 500 à 1000 tr/min: pour les vitesses plus élevées, les circuits magnétiques ne sont habituellement pas saturés, de sorte que le gain apporté par l'invention est moins manifeste.

Dans chacun des cas évoqués ci-dessus en référence aux figures 1 à 3, chaque noyau magnétique 2 était délimité par une surface cylindrique de révolution d'axe Y.

Dans ces conditions, la modification de répartition du champ magnétique symbolisé par les lignes L sur les figures 2 et 3 ne concerne en théorie que la portion très mince du volume de chaque épanouissement polaire qui s'étend selon la surface cylindrique correspondant aux sections desdites figures.

Pour accroître le volume de chaque épanouissement polaire pour lequel la répartition du champ magnétique est améliorée de la manière ci-dessus décrite par le simple décalage «en arrière» des épanouissements polaires, on peut donner à chaque noyau magnétique la forme d'un prisme ou cylindre dont la section droite est semblable à celle de l'épanouissement qui la termine ou tout au moins se rapproche de cette dernière.

Dans le cas de la figure 5, cette section droite de chaque noyau est délimitée par un trapèze à angles arrondis 2X ressemblant à la forme générale des épanouissements 5 évoquée ci-dessus. Dans un tel cas, l'enroulement électrique présente la forme générale d'un manchon prismatique 3; à section trapézoïdale d'épaisseur sensiblement constante.

L'expérience montre qu'avec un ralentisseur ainsi perfectionné, le couple de ralentissement est encore amélioré, ainsi que rendu sensible par la courbe 12 sur la figure 4: dans ce cas, l'accroissement de couple, par rapport aux ralentisseurs connus précédemment considérés (courbe 10), atteint et même dépasse 20% pour certaines valeurs de la vitesse.

Comme visible sur la figure 2, le décalage en arrière selon l'invention se traduit par la suppression d'une portion très importante de la corne de sortie S très vite saturée des constructions antérieurement connues: comme la corne d'entrée E est développée en correspondance au point de subsister presque exclusivement et que cette corne d'entrée est moins sensible à la saturation magnétique, il est possible de l'amincir, ainsi que la totalité de l'épanouissement polaire, par rapport aux constructions connus, pour des performances données, ce qui réduit le poids et l'encombrement.

C'est ainsi que le rapport entre l'épaisseur de l'épanouissement et le diamètre extérieur de l'induit annulaire du ralentisseur, rapport qui est généralement supérieur à 1/30, peut descendre au-dessous de 1/35 et même être aussi petit que 1/50.

Ensuite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose d'un moyen extrêmement simple et efficace pour accroître le couple massique d'un ralentisseur électrique, puisqu'il suffit de décaler légèrement «en arrière» ses épanouissements polaires.

Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés;

elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment:

— celles où le stator inducteur du ralentisseur comporterait deux couronnes de pôles de polarités alternées définissant deux couronnes plates d'épanouissements polaires, chacune de ces deux couronnes plates étant associée à un disque induit rotorique et les deux disques, solidaires entre eux, encadrant alors axialement l'inducteur,

— celles où les épanouissements polaires formeraient un seul bloc avec les noyaux en matériau magnétique qu'ils prolongent,

étant par exemple venus de moulage avec ces noyaux au lieu d'être constitués par des plaquettes indépendantes rapportées sur lesdits noyaux,

— celles où les épanouissements polaires présenteraient une forme générale autre que celle d'un trapèze isocèle à coins arrondis, les coins de ce trapèze pouvant ne pas être arrondis et le trapèze lui-même pouvant être autre qu'isocèle, par exemple rectangle ou même être légèrement incurvé autour de l'axe du ralentisseur,

— celles où le ralentisseur à courants de Foucault considéré n'équiperait pas un véhicule, mais une autre machine comportant un arbre rotatif à ralentir, tel qu'un engin de levage ou de sondage.

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664 653 REVENDICATIONS

1. Ralentisseur électrique destiné à ralentir un arbre rotatif (9) et comprenant, d'une part, un stator inducteur électromagnétique soli-darisable avec le support de l'arbre, statpr comportant au moins une couronne discontinue de pôles électriques saillants à polarités alternées, chaque pôle étant constitué par un noyau cylindrique ou prismatique (2) en matériau magnétique entouré par un enroulement de fil électrique (3), ledit noyau s'étendant parallèlement à l'axe de l'arbre et se terminant par un épanouissement polaire (5) et, d'autre part, un disque rotorique induit (8) en matériau magnétique solidari-sable avec l'arbre et monté coaxialement à la couronne de pôles de façon à défiler axialement en regard des épanouissements polaires dont il n'est séparé que par un entrefer annulaire de faible épaisseur (e), caractérisé en ce que la section circonférentielle de chaque épanouissement polaire (5) est dissymétrique par rapport au plan passant par l'axe (X) du ralentisseur et par l'axe (Y) du noyau correspondant (2) en ce sens que sa corne d'entrée (E) s'étend plus loin de ce plan que sa corne de sortie (S).

2. Ralentisseur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque épanouissement polaire (5) présente, selon une vue en bout considérée parallèlement à l'axe du ralentisseur, la forme générale d'un trapèze isocèle, à coins de préférence arrondis, dont le centre est décalé circonférentiellement, par rapport à l'axe du noyau (2) correspondant, dans le sens contraire à celui de la rotation du disque (8).

3. Ralentisseur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section droite de chaque noyau (2) présente la forme générale d'un trapèze isocèle, à coins de préférence arrondis.

4. Ralentisseur électrique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque épanouissement polaire (5) comptée perpendiculairement à sa surface terminale est constante sur toute l'étendue de celui-ci.

5. Ralentisseur électrique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque épanouissement polaire (5) comptée perpendiculairement à sa surface terminale est relativement petite, en ce sens que le rapport entre cette épaisseur et le diamètre extérieur du disque (8) est compris entre 1/50 et 1/30.

6. Ralentisseur électrique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la surface définissant la tranche de la corne de sortie (S) de chaque épanouissement polaire (5) est perpendiculaire à la surface terminale de cet épanouissement et tangente à la surface latérale (N) du noyau correspondant (2).

7. Ralentisseur électrique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la corne d'entrée (E) de chaque épanouissement polaire (5) s'étend circonférentiellement au moins jusqu'à la surface latérale de l'enroulement (3) qui entoure le noyau terminé par l'épanouissement voisin.

8. Ralentisseur électrique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le décalage circonférentiel angulaire (a) vers l'arrière de chaque épanouissement polaire (5) est compris entre 1/25 et 1/7 du pas polaire angulaire.