FR2855675A1 - Frein magnetique et dispositif d'activation comportant un tel frein - Google Patents

Abstract

Le frein magnétique de retenue en rotation, utilisable dans un système d'activation, comporte un stator (10) et un rotor (12) coaxiaux autour d'un axe de rotation du rotor, ayant chacun une carcasse en matériau ferro-magnétique munie d'un jeu de dents (20, 24),. Les dents du stator et du rotor sont également réparties angulairement et susceptibles de s'aligner pour des orientations du rotor séparées par le pas de répartition des dents. La carcasse du stator et/ou celle du stator porte un aimant permanent (16) de création d'un champ magnétique tendant à aligner les dents.

Description

FREIN MAGNETIQUE ET DISPOSITIF D ACTIVATION COMPORTANT UN TEL FREIN

La présente invention concerne les freins destinés à éviter la rotation d'un organe de façon sûre et pendant une longue période de temps si nécessaire, y compris dans 5 des environnements hostiles parce que soumis à des vibrations, des chocs et / ou des accélérations.

Elle trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le domaine des systèmes de sécurité destinés à maintenir dans l'état inerte un dispositif amené 10 dans l'état actif par rotation d'un arbre par un moteur.

Parmi ces systèmes on peut citer les systèmes de sécurité destinés à interrompre la chaîne pyrotechnique d'activation des charges des missiles ou des systèmes de mise à feu des fusées ou à freiner les mécanismes de déploiement des antennes, des 15 panneaux solaires et des radiateurs des satellites.

On connaît déjà des systèmes de sécurité pour des dispositifs du genre cidessus, comportant un moteur électrique d'entraînement d'un arbre d'activation et un frein qui doit être rendu inopérant lors de l'alimentation du moteur électrique pour faire 20 tourner l'arbre de l'angle nécessaire pour réaliser l'activation. Souvent le moteur électrique actionne un doigt de verrouillage, un piston ou un commutateur par l'intermédiaire d'un train d'engrenages et/ou d'une liaison vis-écrou que l'on cherche à rendre irréversible. Dans dés ambiances hostiles, o le dispositif d'activation est soumis à des sollicitations mécaniques telles que des chocs, des vibrations et des 25 accélérations pendant de longues périodes de temps, il existe un risque de déplacement alors que le moteur n'est pas alimenté. Le frein disposé sur l'arbre du moteur vise à évite ce disfonctionnement. Les freins utilisés à l'heure actuelle agissent généralement par friction. Ils comprennent un ou des organes de friction et un ou plusieurs ressorts agissant sur les organes pour immobiliser l'arbre. Le frein comporte 30 de plus un électro-aimant dont la fonction est de libérer le frein, en exerçant tune force antagoniste à l'action du ressort ou des ressorts.

Un tel système de sécurité présente des inconvénients. Lorsqu'il est susceptible d'être soumis à des chocs ou vibrations répétées, le ressort et la masse mobile du frein constituent un couple susceptible d'entrer en résonance et donc de ne pas assurer correctement sa fonction. La fiabilité de l'activation est conditionnée par la qualité de 5 l'électroaimant. En résumé, les systèmes de sécurité classiques présentent des limitations du point de vue de la sécurité, le frein pouvant se libérer spontanément sous l'effet de sollicitations mécaniques, et du point de vue de la fiabilité, le frein pouvant rester actif.

L'invention vise notamment à fournir un frein magnétique répondant mieux que ceux déjà connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il ne comporte pas de couple pièce mobile - organe élastique susceptible de constituer un ensemble oscillant pouvant entrer en résonance et/ou de s'affaiblir à la suite d'un stockage de longue durée.

Dans ce but l'invention propose notamment un frein magnétique de retenue en rotation, comportant un stator et un rotor coaxiaux autour d'un axe de rotation du rotor, ayant chacun une carcasse en matériau ferro-magnétique munie de dents, les dents du stator et du rotor étant également réparties angulairement et étant susceptibles de 20 s'aligner pour des orientations du rotor séparées par le pas de répartition des dents, la carcasse du stator et/ou celle du stator portant au moins un aimant permanent de création d'un champ magnétique tendant à aligner les dents.

Les termes " aimant permanent " doivent être interprétés comme désignant aussi 25 bien le cas d'un aimant unique monobloc que celui d'un assemblage de plusieurs éléments aimantés tels que des pastilles.

Dans un mode particulier de réalisation, le stator et le rotor sont concentriques, de sorte que les dents sont radiales et celles du rotor sont aptes à s'aligner 30 radialement avec celles du stator en en étant séparées par un entrefer cylindrique, les lignes de force dans l'entrefer entre les dents étant radiales. Le stator sera généralement placé à l'extérieur du rotor dans le sens radial. Le stator peut notamment avoir une section droite, dans un plan passant par l'axe, en forme de U, dont chaque branche présente un jeu de dents qui fait face à un jeu de dents correspondant du rotor. La carcasse du stator peut alors être constituée de deux moitiés séparées par un aimant annulaire.

Dans un autre mode particulier de réalisation, les dents du stator et celles du rotor sont disposées face à face dans le sens axial et séparées par un entrefer plan.

Dans le second cas il est utile de donner au montage une constitution symétrique dans le sens axial pour éviter la présence de forces axiales sur le rotor; une telle constitution symétrique a également l'avantage d'augmenter le couple de retenue.

Dans tous les cas, le matériau magnétique des carcasses peut être du fer doux, 15 qui n'a pas à être feuilleté. L'aimant peut être d'un type contenant des terres rares, par exemple constitué en pastilles de samarium - cobalt ou de fer-néodyne-bore.

L'invention vise également à fournir un dispositif d'activation assurant une sécurité élevée contre les risques d'activation intempestive et une fiabilité élevée 20 d'activation. Un tel dispositif peut comporter un moteur électrique d'entraînement d'un arbre rotatif, sur lequel est calé le rotor d'un frein du genre décrit ci-dessus, d'activation d'un appareil par rotation de l'arbre d'un angle qui correspond généralement à plus de dix pas de répartition des dents.

Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: La figure 1 montre un frein constituant un premier mode de réalisation de l'invention, en coupe suivant un plan passant par l'axe.

La figure 2 montre le frein de la figure 1, en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe.

La figure 3 est un schéma d'un système de sécurité utilisant un frein du genre montré en figures 4 et 5.

La figure 4 est une vue en perspective d'un frein selon un second mode de réalisation; La figure 5 est une vue en perspective et en coupe du frein de la figure 4.

La figure 6 montre une variante de réalisation du frein des figures 1 et 2, en perspective et en coupe.

La figure 7 montre une variante de réalisation du frein des figures 4 et 5, en perspective et en coupe.

Le frein montré en figure 1 et 2 comporte un stator 10 et un rotor 12 destiné à être monté sur un arbre 24. Le stator comprend une carcasse 14 dont la section est en 15 forme de U à fond plat avec deux bras radiaux. La carcasse présente ainsi une forme externe cylindrique, avec des bras en forme de disque. Dans le mode de réalisation illustrée, la carcasse est fractionnée en deux demi-carcasses ou flasques identiques, séparées par un aimant, chaque pôle de l'aimant étant en appui contre une demicarcasse. Des trous 18 pratiqués dans les bras permettent de recevoir des vis pour 20 fixer la carcasse à une structure fixe.

Chaque bras du stator se termine par un jeu de dents 20 dirigées vers le rotor 12.

Le rotor 12 est constitué par un manchon en matériau férrominétique présentant un jeu de dents qui font face à celles du stator, en nombre égal. Le rotor est monté sur 25 l'arbre24 non représenté sur la figure 1, qui sera généralement celui d'un moteur d'activation.

Lorsque l'arbre est libre, I'action de l'aimant aligne les dents du rotor et celles du stator, dans l'orientation o le flux magnétique est maximal. Tout déplacement des 30 dents les unes par rapport aux autres à partir de cette position créée initialement une variation de réluctance des entrefers entre les sommets des dents qui produit un couple résistant. On obtient ainsi un couple de freinage par accrochage magnétique. La valeur initiale de ce couple, pour des écarts faibles par rapport à la position de repos, dépend de l'importance du circuit magnétique et de l'aimant. Elle peut être augmentée en multipliant, sur le même arbre, des structures du genre montré en figure 1.

La figure 3 montre, de façon schématique, en élévation et en coupe partielle, un montage possible d'un frein 22 du type qui sera décrit plus loin en faisant référence aux figures 4 et 5 sur l'arbre 24 d'un moteur 26 d'activation. Dans le cas de la figure 3 les dents du rotor 12 et celles du stator 10 se font face dans le sens axial. Les éléments 10 constitutifs du système de sécurité ainsi constitué appartiennent à un dispositif d'activation d'une chaîne pyrotechnique, schématisée par un simple disque rotatif 28 dont la rotation d'un demi tour l'amène dans une position de butée o il met en communication deux éléments 30. Le frein 22 est enfermé dans un boîtier 23 muni d'un embout d'entrée de câble, accolé à un boîtier 27 de moteur. Le rotor 12 est emmanché 15 sur la partie terminale de l'arbre 24 du moteur 26.

Un tel dispositif est activé en alimentant le moteur 26. Il est avantageux de prévoir un moteur présentant un couple de démarrage élevé, tel qu'un moteur électrique à courant continu, à aimants permanents. Dès que le couple moteur devient supérieur au 20 couple de freinage, les dents du rotor commencent à glisser par rapport à celles du stator. Dès que le décalage entre les dents dépasse un demi pas de répartition des dents, le couple qui s'applique sur le rotor tend à amener celui-ci dans le sens d'action du moteur. De plus, la variation de flux induit des courants de Foucault à l'intérieur du matériau ferromagnétique conducteur constituant les carcasses et ces courants 25 développent un flux magnétique qui s'oppose au flux magnétique créé par l'aimant.

Cette diminution réduit le couple de freinage et cela d'autant plus que la fréquence de modulation du flux de l'aimant par suite du défilement des dents du rotor est élevée, donc que la vitesse relative entre rotor et stator est élevée.

L'alternance du couple exercé par le frein lors de la rotation du rotor et le moment cinétique pris par l'équipage rotatif provoque un phénomène d'emballement. Le couple résistant moyen devient pratiquement nul. Le moteur peut accélérer, de sorte que l'intervalle de temps nécessaire au passage de la position freinée à la position active peut être très bref.

Chaque jeu de dents comportera généralement entre 20 et 40 dents, cela de façon à éviter les à-coups lors de la mise en action. L'entrefer entre les dents sera aussi réduit que possible. Dans le cas fréquent d'un frein destiné à exercer un couple de retenue de l'ordre de 0, 005 N-m, il suffira généralement d'un frein de quelques centimètres de diamètre, avec les carcasses en acier doux et un aimant constitué de 10 pastilles d'aimant aux terres rares, qui peuvent être placées sur le stator et/ou le rotor.

Toutefois il est avantageux de placer l'aimant sur celle des carcasses qui présente le plus grand diamètre, cela pour augmenter le volume disponible pour l'aimant.

Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, les dents du rotor et celles du 15 stator se font face dans le sens radial. Cette solution a l'avantage de ne faire apparaître aucun effort axial sur le rotor. Le mode de réalisation montré en figures 4 et 5, o les éléments correspondants à ceux des figures 1 et 2 portent le même numéro de référence, est à deux jeux de dents qui se font face dans le sens axial. Cette configuration a l'avantage d'augmenter le rayon d'application de la force d'accrochage 20 magnétique et d'obtenir, pour un même volume, un couple de freinage supérieur à celui d'une des deux moitiés du frein de la figure 1. Des moyens tels qu'un palier de butée doivent alors encaisser l'effort axial. Le stator présente alors, en plus d'une partie 34 en forme de pot ou marmite, un noyau 36, séparé du fond par l'aimant 16. Ce noyau présente un chambrage 38 délimité par une paroi latérale séparée d'un disque 40 du 25 rotor par un entrefer 42 qu'on cherchera à réduire le plus possible et sera typiquement de l'ordre d'un dixième de millimètre.

Dans une variante de réalisation, deux freins du genre montré en figures 4 et 5 peuvent être placés dos à dos, les rotors étant calés sur un même arbre. Par ailleurs, 30 ce montage double la valeur du couple de freinage.

Le moteur d'entraînement 26 et le couple de freinage sont à adapter l'un à l'autre.

Le couple de freinage initial doit être supérieur au couple perturbateur maximum susceptible de provoquer un décalage des roues conduisant à un saut d'un pas, mais inférieur au couple de démarrage du moteur. Pour réduire le volume de ce dernier, il est 5 préférable d'utiliser un moteur à couple de démarrage élevé, typiquement un moteur à courant continu et à aimants permanents.

Dans certains cas, et notamment sur les satellites o la simplicité est essentielle et o on recherche un positionnement précis, on utilise surtout des moteurs pas à pas à 10 réluctance variable, capables de fonctionner à des vitesses très faibles. Ces moteurs ont en contrepartie l'inconvénient d'avoir un couple de démarrage faible. Dans ce cas le frein peut être complété par une bobine ou des bobines destinées à créer un flux magnétique s'opposant à celui de l'aimant. La figure 6, o les mêmes numéros de références que sur les figures 1 et 2 sont encore utilisés, montre un frein à dents 15 radiales comportant de plus une bobine 32 munie de moyens d'alimentation en courant continu non représentés. Cette bobine et le sens du courant qui peut être créé par une source extérieure sont choisis de façon à créer un flux magnétique s'opposant à celui de l'aimant 16. Cette bobine n'augmente pas l'encombrement du frein, puisqu'elle peut être placée entre les branches de la carcasse du stator. Il n'est pas nécessaire 20 qu'elle annule complètement le flux de l'aimant. Il suffit qu'elle réduise le couple de freinage à une valeur que peut surmonter le moteur.

La figure 7 montre un frein du type des figures 3 et 4, ayant de plus une bobine 32 qui peut, elle aussi, être placée à l'intérieur de la carcasse, en forme de coupelle ou 25 de dépôt, du stator 10.

Claims (10)

Revendications

1. Frein magnétique de retenue en rotation, comportant un stator (10) et un rotor 5 (12) coaxiaux autour d'un axe de rotation du rotor, ayant chacun une carcasse en matériau ferro-magnétique munie d'un jeu de dents (20, 24), les dents du stator et du rotor étant également réparties angulairement et étant susceptibles de s'aligner pour des orientations du rotor séparées par le pas de répartition des dents, la carcasse du stator et/ou celle du stator portant un aimant permanent (16) de création d'un champ 10 magnétique tendant à aligner les dents.

2. Frein suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le stator et le rotor sont concentriques et les dents sont radiales, les dents du rotor étant aptes à s'aligner radialement avec celles du stator et en étant séparées par un entrefer cylindrique avec 15 des lignes de force radiales dans l'entrefer entre les dents des deux jeux.

3. Frein selon la revendication 2, caractérisé en ce que le stator a une section droite, dans un plan passant par l'axe, en forme de U, dont chaque branche présente un jeu de dents qui fait face à un jeu de dents correspondant du rotor. 20

4. Frein suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la carcasse du stator est constituée de deux moitiés séparées par l'aimant, de forme annulaire.

5. Frein suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dents du stator et 25 celles du rotor sont disposées face à face dans le sens axial et séparées par un entrefer plan.

6. Frein suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le stator et le rotor ont deux jeux de dents placés dos à dos.

7. Frein suivant la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que le stator présente, en plus d'une partie (34) en forme de pot, un noyau (36), séparé du fond du pot par l'aimant (16).

8. Frein suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est d'un type contenant des terres rares, par exemple en samarium-cobalt ou fer- néodyne - bore.

9. Frein suivant l'une quelconque des revendications précédentes comprenant de 10 plus une bobine (32) ou des bobines destinées à créer un flux magnétique s'opposant à celui de l'aimant.

10. Dispositif d'activation d'un appareil par rotation d'un arbre (24), comportant un moteur électrique (26) d'entraînement de l'arbre rotatif (24), sur lequel est calé le rotor 15 d'un frein (22) suivant l'une quelconque des revendications précédentes.