FR2885274A1 - Ventilateur debrayable pour un ralentisseur electromagnetique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un agencement débrayable d'un ventilateur (109) dans un ralentisseur électromagnétique, le ralentisseur comportant un arbre tournant (102), un rotor (101) solidaire en rotation avec l'arbre tournant (102), des bobines d'induction (107) disposées en couronne sur le rotor (101), un générateur avec un rotor (106) monté sur une extrémité de l'arbre tournant (102) et alimentant les bobines d'induction (107), et un ventilateur (109) pour faire circuler un fluide gazeux refroidissant sur les bobines d'induction (107).Le ventilateur (109) est monté libre en rotation sur l'arbre tournant (102) et est pourvu de moyens (112) formant un induit susceptible d'être exposé à un champ électromagnétique engendré par les bobines d'induction (107) et entraînant en rotation le ventilateur (109).

Description

Ventilateur débrayable pour un ralentisseur électromagnétique.

La présente invention concerne un agencement débrayable d'un ventilateur dans un ralentisseur électromagnétique, ainsi qu'un ralentisseur électromagnétique comportant un arbre tournant avec un ventilateur monté sur l'arbre tournant selon cet agencement.

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un ralentisseur électromagnétique comportant des moyens pour créer un courant d'un fluide gazeux, typiquement un courant d'air, pour le refroidissement de bobines d'induction disposées en couronne sur un rotor du ralentisseur et à l'intérieur d'un stator qui entoure le rotor et est destiné à être monté sur un châssis du véhicule.

Les ralentisseurs électromagnétiques ont souvent des ventilateurs pour refroidir des éléments chauffants tels que les bobines ou des circuits électroniques. Ces ventilateurs sont généralement accrochés à un arbre du ralentisseur. Ainsi, lorsque le ralentisseur entre en fonctionnement, ces ventilateurs créent un courant d'air qui s'écoule vers les bobines du ralentisseur pour les refroidir. Ce refroidissement permet d'éviter une chute de performances du ralentisseur à chaud. Globalement, un ventilateur contribue à créer jusqu'à dix pourcents du couple de freinage total engendré par le ralentisseur.

Toutefois, l'utilisation de tels ventilateurs présente des limites.

En effet, comme l'arbre du rotor du ralentisseur est relié à l'arbre de sortie de la boîte de vitesse ou à l'arbre d'entrée du pont arrière d'un véhicule automobile, l'arbre du rotor tourne constamment.

L'entraînement du ventilateur engendre donc une consommation de puissance mécanique non négligeable, même lorsque le ralentisseur n'est pas en fonctionnement. Autrement dit, même lorsque le ralentisseur n'est pas activé, le ventilateur consomme un couple mécanique inutile, ce qui se traduit donc en une consommation inutile de gasoil.

Ainsi, lorsque le ralentisseur ne fonctionne pas, des pertes aérauliques dues à l'entraînement du ventilateur, appelées aussi pertes à vide, peuvent être observées. Ces pertes, qui font chuter le rendement de vitesse du véhicule, augmentent avec une puissance trois de la vitesse de rotation de l'arbre du rotor. Par ailleurs, les ventilateurs font du bruit.

Pour ces raisons, les constructeurs de véhicules dits poids lourds tels que des camions, des cars et des bus et de véhicules spéciaux tels des bennes à ordures, indiquent de plus en plus souvent dans un cahier des charges un maximum de pertes à vide à observer lorsque le ralentisseur ne fonctionne pas. Ces pertes doivent être très inférieures aux pertes induites par le ventilateur lorsque le ralentisseur est en fonctionnement. De plus, le bruit du ventilateur dans les phases de non utilisation du ralentisseur ne devrait pas dépasser un niveau prédéterminé.

Pour palier les divers inconvénients énoncés ci avant, certains ralentisseurs ont été équipés de ventilateurs débrayables. Ainsi, des essais ont été faits avec des embrayages électromagnétiques à bobines ou à poudre. D'autres essais ont été faits avec des ventilateurs à débrayage viscostatique ou à commande hydraulique.

Toutefois, l'utilisation de tels embrayages pose un problème du fait que l'alimentation électrique ou hydraulique doit être placée, de quelle que manière ce soit, sur l'arbre tournant du ralentisseur. Il faut donc prendre en compte l'usure des contacts tournants ou des joints tournants, selon le type d'embrayage choisi, et les problèmes de fonctionnement et de commande de l'embrayage ainsi que le besoin supplémentaire de maintenance du véhicule qui en résultent. En outre, il a été constaté chaque fois que le système choisi était encombrant et entraînait un poids supplémentaire plus ou moins grand, selon le système choisi. De plus, les ralentisseurs équipés de tels ventilateurs se montraient limités en tenu de température, notamment lorsqu'il s'agissait de ralentisseurs à haute vitesse.

OBJET DE L'INVENTION Le but de l'invention est de palier les divers inconvénients énoncés plus haut.

Plus particulièrement, l'invention doit proposer une solution qui permette, si possible, de disposer d'un système robuste, simple et peu encombrant afin de pouvoir le loger à l'intérieur du ralentisseur ou, pour le moins, de manière à ce qu'il ne contribue pas à un accroissement de l'encombrement du ralentisseur.

Pour le moins, l'invention doit proposer une solution permettant de résoudre le problème de pertes à vide trop importantes. Autrement dit, l'invention doit faciliter le refroidissement des bobines, tout en limitant la consommation d'un couple sur l'arbre, notamment pendant les périodes de non utilisation du ralentisseur.

Le but de l'invention est atteint avec un agencement débrayable d'un ventilateur dans un ralentisseur électromagnétique, le ralentisseur comportant un arbre tournant, un rotor solidaire en rotation avec l'arbre tournant, des bobines d'induction disposées en couronne sur le rotor, un générateur avec un rotor monté sur une extrémité de l'arbre tournant et alimentant les bobines d'induction et un ventilateur pour faire circuler un fluide gazeux refroidissant sur les bobines d'induction.

Selon l'agencement de l'invention, le ventilateur est monté libre en rotation sur l'arbre tournant du ralentisseur et est pourvu de moyens formant un induit susceptible d'être exposé à un champ électromagnétique engendré par les bobines d'induction et entraînant en rotation le ventilateur.

L'invention met donc en uvre un ventilateur qui peut être débrayé de son entraînement.

Ce ventilateur est un ventilateur rotatif monté sur l'arbre du rotor de manière à être libre en rotation par rapport à l'arbre le temps que le ralentisseur n'est pas sollicité ou activé, c'est-à-dire le temps qu'il ne fonctionne pas. Pour obtenir cette liberté en rotation, le ventilateur est monté, selon l'un ou l'autre de plusieurs modes de réalisation possibles de l'invention, sur un roulement à billes, sur un roulement à rouleaux, sur un palier glissant ou sur tout autre type de palier permettant un mouvement relatif en rotation entre le ventilateur et l'arbre tournant sans subir des effets de friction, par exemple de patins. Le ventilateur peut également être réalisé en matière plastique à faible coëfficient de friction par rapport à de l'acier et être monté sur l'arbre tournant sans l'intermédiaire d'un palier.

Selon les différents modes de réalisation possibles de l'invention, le ventilateur comporte un anneau en acier électromagnétique, lorsque ses pales sont réalisées en un matériau amagnétique tel une matière synthétique ou de l'aluminium, ou le ventilateur comporte des pales conformés, au moins dans une partie en regard aux bobines d'induction, pour s'exposer suffisamment au champ magnétique des bobines d'induction, lorsqu'au moins ces parties des pales sont réalisées en un matériau électromagnétique tel de l'acier doux. Les pales peuvent également comporter un aimant permanent.

Dans un exemple de réalisation, le ventilateur est positionné à côté du rotor de ralentisseur de manière que 2885274 5 les têtes des bobines du rotor inducteur soient en regard avec l'anneau du ventilateur. Ces bobines et cet anneau sont alors en influence mutuelle et lorsque l'on alimente les bobines du rotor inducteur cela permet l'entraînement du ventilateur par la création d'un couple.

Plus précisément, lorsque le ralentisseur ne fonctionne pas, les bobines du rotor inducteur du ralentisseur ne sont pas alimentées. Ainsi, il n'y a pas de création d'un champ magnétique. L'anneau électromagnétique solidaire du ventilateur ne se trouvant donc pas dans ce champ magnétique, l'entraînement du ventilateur ne se produit pas et le ventilateur se comporte alors librement sur l'arbre du rotor sur lequel il est monté par l'intermédiaire d'un roulement.

En revanche, lorsque le ralentisseur fonctionne, l'alimentation des bobines du rotor inducteur crée un champ magnétique qui passe directement dans l'induit source des courants de Foucault, mais qui boucle sur luimême en passant par l'anneau métallique du ventilateur en influence mutuelle.

Ce dispositif permet d'embrayer le ventilateur selon le principe des machines asynchrones. L'embrayage du ventilateur permet alors d'assurer un refroidissement des bobines du rotor inducteur et par conséquence d'améliorer le fonctionnement du ralentisseur.

Dans une telle configuration, ce n'est que lorsque le ralentisseur est en fonctionnement, que le ventilateur consomme un couple de l'arbre. Ce couple s'ajoute et participe au freinage du véhicule.

Toutefois, la vitesse de rotation du ventilateur étant inférieure à celle de l'arbre tournant, en raison du fonctionnement selon le principe des machines asynchrones, il est possible de pallier cet inconvénient, au moins partiellement, en formant l'anneau métallique selon le principe d'une cage d'écureuil comme dans les machines asynchrones (anneau en tôles isolées en acier doux empilées, tenues entre deux plaques en aluminium et reliées par l'intermédiaire de barreaux en aluminium).

L'invention permet ainsi d'augmenter les performances du ralentisseur par une meilleure maîtrise du refroidissement des bobines mais également une bonne maîtrise de la consommation de gasoil du véhicule hors utilisation du ralentisseur soit 85% environ.

Pour augmenter encore davantage lede son temps rendement, les têtes des bobines d'induction du rotor peuvent être munies, en leur centre, d'un pôle en matériau magnétique.

Ce pôle est non nécessairement, mais de préférence, fixé sur le support de la tête de bobine, par exemple par une vis. Grâce à la présence de pôles magnétiques, l'induction des bobines se trouve augmentée.

La solution que l'invention propose, est simple à intégrer dans la conception d'un ralentisseur, n'est pas encombrant et est légère et très économique, puisqu'il n'y a que deux éléments à ajouter, à savoir un palier et une couronne d'acier doux ou des moyens équivalents.

De plus, la solution de l'invention ne nécessite pas de moyens de commande. En effet, le ventilateur est autonome dans sa mise en route puisque actionné en même temps que l'excitation les bobines d'induction.

Le ventilateur utilisé dans l'invention peut être de type axial, centrifuge ou hélico-centrifuge. Un tel ventilateur est réalisé en fonction d'une application donnée pour laquelle un débit d'air donné est nécessaire pour refroidir des bobines du ralentisseur placées dans 30 une configuration particulière.

Dans une réalisation particulière, le ventilateur comporte un support à l'intérieur duquel des aimants permanents sont implantés en lieu et place de l'anneau électromagnétique.

En variante, l'anneau peu être réalisé à partir d'un feuilleté de tôles isolées murai de conducteurs en court-circuit, principe des machines asynchrone à cage.

L'invention concerne également les caractéristiques ci-après considérées isolément ou selon toute combinaison techniquement possible: -le ventilateur est réalisé en un matériau 5 amagnétique; - l'anneau formant induit est réalisé sous la forme d'un aimant permanent; - les moyens formant induit comportent des parties de pales conformées pour passer devant les bobines d'induction de manière à pouvoir être suffisamment induites par le champ magnétique des bobines d'induction pour que le ventilateur soit entraîné en rotation; - le ventilateur est réalisé en un matériau électromagnétique; - le ventilateur est monté sur l'arbre tournant par l'intermédiaire d'un roulement; - le ventilateur est monté sur l'arbre tournant par l'intermédiaire d'un palier glissant.

Le but de l'invention est également atteint avec un ralentisseur électromagnétique comportant un arbre tournant avec un ventilateur pour faire circuler un fluide gazeux refroidissant sur des bobines d'induction destinées à engendrer, sur commande, des courants de Foucault dans un stator entourant l'arbre tournant et les bobines d'induction.

Selon l'invention, le ventilateur est monté libre en rotation sur l'arbre tournant et est pourvu de moyens formant un induit susceptible d'être exposé à un champ électromagnétique engendré par les bobines d'induction et entraînant en rotation le ventilateur.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci- après d'un mode de réalisation de l'invention, cette description étant faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un ralentisseur selon l'invention comportant plusieurs ventilateurs débrayables montés sur un arbre tournant du ralentisseur solidaire d'un arbre de sortie d'une boîte de vitesse, et - la figure 2 montre un ventilateur débrayable monté sur roulement, comportant une cage cylindrique et tournant autour d'un arbre comportant des bobines.

Ces figures sont données à titre d'illustration et ne sont pas limitatives de l'invention.

DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION DE L'AGENCEMENT SELON L'INVENTION La figure 1 rappelle la structure générale d'un ralentisseur électromagnétique et montre en même temps la disposition d'un ventilateur débrayable 109 monté sur un arbre tournant du ralentisseur. Le ralentisseur comprend par ailleurs un second ventilateur 108, non débrayable, qui peut toutefois être remplacé par un second ventilateur débrayable selon l'invention.

Le ralentisseur électromagnétique est représenté en une vue en perspective avec coupe partielle axiale et comme étant monté sur une boîte de vitesse 105 d'un véhicule automobile de la catégorie des poids lourds. Ce ralentisseur, qui est destiné à ralentir un arbre de transmission du véhicule et plus particulièrement ici l'arbre de sortie de la boîte de vitesse 105, en engendrant un champ magnétique à répartition alternée dans une pièce ferromagnétique, comprend une chemise de refroidissement C sous une forme hélicoïdale en une seule spire.

Le ralentisseur comprend un arbre tournant 102 accroché à l'arbre de sortie de la boîte de vitesse 105 et un rotor inducteur 101 solidaire en rotation de l'arbre tournant 102. Des bobines d'induction 107 du rotor sont disposées en couronne sur le rotor 101 et à l'intérieur d'un stator comprenant un induit 110 entourant le rotor 101. L'induit 110 forme ensemble avec une enveloppe 103 la chemise d'eau de refroidissement C destinée à être monté sur un châssis du véhicule. Le ralentisseur comporte également un générateur ayant un rotor de génératrice 106, solidaire de l'arbre tournant 102 et ainsi du rotor inducteur 101, et des bobines 104, ainsi que le ventilateur 109 pour faire circuler un fluide gazeux refroidissant, généralement de l'air, sur les bobines d'induction 107 du rotor 101.

La couronne de bobines 104 entoure le rotor de génératrice avec un faible entrefer.

Les bobines 104 sont alimentées par une source de courant continu telle qu'une batterie du véhicule équipé du ralentisseur. L'intensité de ce courant est réglée en fonction du couple de freinage que le ralentisseur doit produire. En effet, en réglant l'intensité du courant d'induction des bobines 104, on règle l'intensité du courant électrique engendré par le générateur et, par cela enfin, l'intensité des courants de Foucault générateurs de freinage et d'échauffement, engendrés dans l'induit 110 de la chemise d'eau C. La génération du courant électrique d'alimentation nécessaire à la génération des courants de Foucault, par un générateur intégré dans le ralentisseur, apporte un double avantage. Le premier avantage consiste en un apport d'énergie électrique extérieure très faible prélevé de la batterie du véhicule, par exemple de l'ordre de 20 à 30% de l'énergie totale nécessaire. Le second avantage est celui que la génération du courant électrique par le générateur consomme elle-même une certaine énergie mécanique prélevée sur l'arbre à ralentir.

Le courant d'excitation engendré par le générateur alimente les bobines d'induction 107 du rotor 101 du ralentisseur pour engendrer un champ magnétique alternatif. Les bobines 107 sont formées par des enroulements de fils électriques autour de noyaux faisant parties intégrantes du rotor 101. Le champ magnétique alternatif induit l'induit 110 du ralentisseur et y engendre des courants de Foucault, réalisé en un matériau ferromagnétique. Les courants de Foucault étant opposés, par leurs effets, à la cause qui leur donne le sens, à savoir le mouvement de rotation du rotor, le mouvement de rotation du rotor 101 engendre ainsi un couple de rotation inverse, donc un couple de freinage.

La génération des courants de Foucault étant accompagnée d'un échauffement, par effet Joule, notamment de l'induit 110, cette partie est refroidie un liquide refroidissant, par exemple de l'eau, circulant dans la chemise de refroidissement C dans laquelle l'induit 110 est avantageusement intégré.

La figure 2 montre, sous la forme d'une coupe axiale, que le ventilateur 109 est monté sur un roulement 111 et comporte également un système annulaire 112 d'embrayage.

Le roulement 111, pour offrir au ventilateur 109 son degré de liberté en rotation, peut être soit à billes soit à rouleaux ou être remplacé par tout autre système offrant une possibilité de rotation relative.

Le système d'embrayage 112 est formé essentiellement par une couronne en un matériau magnétisable tel de l'acier doux et permet d'embrayer le ventilateur 109 simultanément à la mise en fonction du ralentisseur par alimentation des bobines 107 du rotor inducteur. Le ventilateur 109 rotatif et l'anneau d'embrayage 112 en matériau magnétique sont solidaire l'un de l'autre.

Lorsque le ralentisseur est en fonctionnement, l'alimentation des bobines 107 en courant permet la création d'un champ magnétique. Le bouclage magnétique avec le système annulaire 112 du ventilateur 109 permet d'entraîner ce dernier en rotation. Cet effet peut être augmenté en plaçant dans les extrémités des chignons des bobines, maintenues par des supports 113 solidaires du rotor 101, des pôles 114 traversant les bobines correspondantes.

Lorsque le ralentisseur n'est pas en fonctionnement, il n'y a pas de champ magnétique et donc pas de couplage avec le système d'embrayage 112. Le roulement 111 permet alors au ventilateur 109 d'être libre en rotation par rapport à l'arbre tournant 102, c'est-à-dire à l'axe du rotor 101. Autrement dit, lorsque le ralentisseur ne fonctionne pas, le roulement 111 permet au ventilateur 109 d'avoir un degré de liberté en rotation par rapport à l'axe 102.

Des grandeurs sont liées au courant créé par les bobines de la génératrice pour alimenter les bobines du rotor et générer un couple de freinage. En effet, plus ce courant est important, plus le champ électromagnétique engendré par les bobines 107 du rotor inducteur 101 est grand. Ainsi, plus ce courant est grand, plus un couplage magnétique entre le système annulaire 112 et le rotor inducteur 101 solidaire de l'arbre tournant 102 est intense. Et plus ce couplage est intense, plus le ventilateur 109 tourne à une vitesse élevée proche de la vitesse de rotation de l'arbre 102, permettant de refroidir de manière optimale les bobines 107 du rotor 101. La valeur du courant est directement liée à la commande du ralentisseur. En effet, la commande d'embrayage du ventilateur correspond à la création d'un champ magnétique au travers des bobines 107.

Dans cette configuration de système d'embrayage de ventilateur 109 monté sur roulement:Lll, la particularité est que lors de l'arrêt de la fonction ralentisseur, le ventilateur continue, pendant un certain temps, à tourner et donc a refroidir les bobines 107 du rotor 101 et permet ainsi d'éviter la surchauffe de ces bobines compte tenue de l'inertie thermique de la machine. Cet avantage permet l'optimisation du ralentisseur dans son fonctionnement durant ses différents cycles de vie.

Selon une variante de réalisation de l'invention, le couplage magnétique entre le système annulaire 112 formé essentiellement par une couronne en un matériau magnétique, lorsque le ventilateur 109 est réalisé en un matériau amagnétique, et le rotor inducteur 101 peut être remplacé par un couplage magnétique entre ce que l'on peut appeler une couronne reconstituée et le rotor 101. Une telle couronne reconstituée est obtenue en pliant les pales du ventilateur 109 de manière telle que les parties pliées se suivent très près et assurent ainsi une succession assez dense d'éléments métalliques pouvant être induits et emmener le ventilateur en rotation.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Agencement débrayable d'un ventilateur (109) dans un ralentisseur électromagnétique, le ralentisseur comportant un arbre tournant (102), un rotor (101) solidaire en rotation avec l'arbre tournant (102), des bobines d'induction (107) disposées en couronne sur le rotor (101), un générateur avec un rotor (106) monté sur une extrémité de l'arbre tournant (102) et alimentant les bobines d'induction (107), un ventilateur (109) pour faire circuler un fluide gazeux refroidissant sur les bobines d'induction (107), l'agencement étant caractérisé en ce que le ventilateur (109) est monté libre en rotation sur l'arbre tournant (102) et est pourvu de moyens (112) formant un induit susceptible d'être exposé à un champ électromagnétique engendré par les bobines d'induction (107) et entraînant en rotation le ventilateur (109).

2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formant induit comportent un anneau (112) en un matériau magnétisable situé en regard des bobines d'induction (107) du rotor (101).

3. Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau formant induit (112) est réalisé en tôles feuilletées avec conducteurs en court-circuit selon le principe des cages de machines asynchrones.

4. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ventilateur (109) est réalisé en un matériau amagnétique.

5. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'anneau formant induit (112) est réalisé sous la forme d'un aimant permanent.

6 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formant induit comportent des parties de pales conformées pour passer devant les bobines d'induction (107) de manière à pouvoir être suffisamment induites par le champ magnétique des bobines d'induction (107) pour que le ventilateur (109) soit entraîné en rotation.

7. Agencement selon la revendication 1 ou 6, 5 caractérisé en ce que le ventilateur (109) est réalisé en un matériau électromagnétique.

8. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ventilateur (109) est monté sur l'arbre tournant (102) par l'intermédiaire d'un roulement (1.11).

9. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ventilateur (109) est monté sur l'arbre tournant (102) par l'intermédiaire d'un palier glissant.

10. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ventilateur (109) est réalisé en matière plastique à faible coëfficient de friction par rapport à de l'acier et est monté sur l'arbre tournant (102) sans l'intermédiaire d'un palier.

11. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les têtes des bobines d'induction (107) sont traversées par un pôle (114) en un matériau magnétique.

12. Ralentisseur électromagnétique comportant un arbre tournant (102) avec un ventilateur (109) pour faire circuler un fluide gazeux refroidissant sur des bobines d'induction (107) destinées à engendrer, sur commande, des courants de Foucault dans un induit (110) entourant l'arbre tournant (102) et les bobines d'induction (107), caractérisé par un agencement selon lequel le ventilateur (109) est monté libre en rotation sur l'arbre tournant (102) et est pourvu de moyens (112) formant un induit susceptible d'être exposé à un champ électromagnétique engendré par les bobines d'induction (107) et entraînant en rotation le ventilateur (109).