LU88395A1 - Coupleur magnétique à hystérésis - Google Patents

Description

COUPLEUR MAGNETIQUE A HYSTERESIS

La présente invention concerne un coupleur magnétique à hystérésis. Un tel coupleur comprend notamment un rotor supportant un matériau ferromagnétique à hystérésis et un inducteur magnétique rotatif qui induit dans le matériau ferromagnétique à hystérésis dudit rotor un champ magnétique. Ledit inducteur magnétique et ledit matériau ferromagnétique à hystérésis sont agencés avec un entrefer entre les deux, de façon à permettre une rotation relative de l'un par rapport à l'autre et leur vitesse de glissement varie entre une valeur minimale VI et une valeur maximale V2.

Il est rappelé que dans un coupleur magnétique à hystérésis le couplage entre l'inducteur et l'induit magnétiques a lieu par aimantation et désaimantation -du matériau ferromagnétique à hystérésis en rotation relative par rapport au champ magnétique.

Il est connu d'utiliser des coupleurs magnétiques à hystérésis pour transmettre un couple d'un arbre d'entrée du coupleur vers un arbre de sortie du coupleur dans le cas où il y a d'importants écarts entre la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée et la vitesse de rotation de l'arbre de sortie du coupleur. Une application typique de ces coupleurs magnétiques à hystérésis se trouve dans un dispositif enrouleur-dérouleur, délivrant un couple d'enroulement et un couple de freinage lors du déroulement. Dans un tel dispositif, l'arbre d'entrée du coupleur est accouplé à un moteur d'entraînement qui a une vitesse de rotation quasi constante. L'arbre de sortie du coupleur est accouplé à un tambour enrouleur-dérouleur. La vitesse de rotation du tambour enrouleur-dérouleur varie de sens en passant par zéro, tandis que la vitesse de rotation du moteur est sensiblement constante. Si le module de la vitesse de rotation maximale de l'arbre de sortie du coupleur représente 50% du module de la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée du coupleur, aussi bien pendant l'opération de déroulement que pendant l'opération d'enroulement, la vitesse de glissement entre l'inducteur et l'induit magnétiques du coupleur augmente de 200% entre l'opération d'enroulement et l'opération de déroulement. En effet, pendant l'opération d'enroulement l'arbre de sortie du coupleur tourne dans le même sens que son arbre d'entrée, tandis que pendant l'opération de déroulement l'arbre de sortie du coupleur tourne dans le sens inverse de son arbre d'entrée.

Dans un coupleur magnétique à hystérésis classique, le couple transmis augmente avec la vitesse de glissement entre l'inducteur et l'induit magnétiques. Ce phénomène est dû au fait que le champ magnétique en rotation par rapport à 1'induit magnétique génère dans ce dernier des courants de Foucault qui augmentent le couplage entre l'inducteur et l'induit magnétiques. De la demande de brevet DE-21 39 009 il est connu d'amplifier ce phénomène en munissant l'induit magnétique d'un élément très bon conducteur d'électricité, qui est appliqué sur le matériau ferromagnétique du rotor. On obtient ainsi un coupleur magnétique à hystérésis dont le couple transmis augmente fortement lorsque la vitesse de glissement entre l'induit et l'inducteur magnétiques augmente.

Le fascicule de brevet européen EP-0 269 535 B1 propose un coupleur magnétique à hystérésis dont le couple transmis n'augmente que légèrement avec la vitesse de glissement entre l'induit et l'inducteur magnétique. Dans ce coupleur on utilise pour l'inducteur magnétique un matériau ferromagnétique à hystérésis pas ou peu conducteur d'électricité, entraînant une diminution ou absence totale de courants de Foucault dans le matériau ferromagnétique à hystérésis. Ce dernier est plus précisément une pâte composite moulée, comprenant un matrice sur base d'une résine dans laquelle sont distribuées des particules d'un matériau ferromagnétique à hystérésis. La température de travail de ce matériau composite doit être limitée à 100°C afin d'éviter sa désagrégation.

Or pour certaines applications il est recommandé d'avoir une "caractéristique négative" du coupleur, c'est-à-dire une diminution du couple transmis lorsque la vitesse de glissement augmente; ce qui est a priori contraire à la caractéristique connue des coupleurs magtnétiques à hystérésys.

La présente invention a pour objet de proposer un coupleur pour lequel le couple transmis diminue réversiblement lorsque la vitesse de glissement augmente.

Cet objectif est atteint par un coupleur magnétique à hystérésis tel que défini dans le préambule, caractérisé en ce que en ce que ledit matériau ferromagnétique à hystérésis forme au moins un anneau qui est monté dans ledit rotor extérieur de façon à pouvoir subir une dilatation thermique réversible de son diamètre intérieur, cette dilatation thermique entraînant une augmentation dudit entrefer radial, et en ce que le coupleur est dimensionné de façon qu'un réchauffement du matériau ferromagnétique, qui accompagne un passage de la vitesse de glissement minimale (VI) à la vitesse de glissement maximale (V2), produise une augmentation dudit entrefer radial (78) qui entraîne la diminution souhaitée du couple transmis lors du passage de la vitesse de glissement minimale (VI) à la vitesse de glissement maximale (V2) .

Le principal avantage de l'invention est qu'elle permet d'utiliser des coupleurs magnétiques à hystérésis, qui sont des coupleurs robustes, fiables et relativement bon marché, dans des applications dans lesquelles il est recommandé d'avoir une "caractéristique négative" du coupleur, c'est-à-dire une diminution du couple transmis lorsque la vitesse de glissement augmente. En effet, le dimensionnement proposé ne permet non seulement de compenser l'influence de courants de Foucault éventuels sur le couplage entre ledit inducteur magnétique rotatif et ledit rotor supportant le matériau ferromagnétique à hystérésis, mais il permet de plus d'avoir une diminution réversible du couple transmis lorsque la vitesse de glissement entre le rotor et l'inducteur magnétique augmente. Une telle "caractéristique négative" pouvait jusqu'à présent uniquement être obtenue avec des coupleurs électromagnétiques munis de systèmes de régulation du courant d'alimentation, qui sont à la fois compliqués et chers.

Il est connu que l'énergie dissipée dans le matériau ferromagnétique à hystérésis est sensiblement proportionnelle à la fréquence avec laquelle le champ magnétique varie de polarité. En d'autres termes -la température du matériau ferromagnétique à hystérésis est sensiblement proportionnelle à la vitesse de glissement entre l'inducteur magnétique et le matériau ferromagnétique à hystérésis. La température de travail du matériau ferromagnétique à hystérésis augmente dès lors d'une température Tl à une température T2, si la vitesse de glissement augmente de VI à V2. Or, dans un coupleur selon l'invention, le diamètre interne de l'anneau en matériau à hystérésis augmente avec la température, entraînant une augmentation réversible de l'entrefer radial de el à e2. Sachant que le couple transmis est inversément proportionnel au cube de l'épaisseur radiale de l'entrefer, on voit qu'une très petite augmentation de l'entrefer radial provoque déjà une diminution importante du couple transmis.

Il s'est de plus avéré qu'un coupleur magnétique à hystérésis à entrefer radial a de nombreux avantages sur un coupleur à entrefer axial. Or, il importe de relever que des coupleurs magnétiques à hystérésis avec entrefer radial ne sont guère connus dans l'état de la technique. L'homme de 1'art appréciera par conséquent que la présente invention ajoute de précieux enseignements techniques à leur sujet à 1'état de la technique.

Ledit matériau ferromagnétique est de préférence un matériau à résistivité élevée. De cette façon les courants de Foucault qui sont générés dans le matériau ferromagnétique sont de faible intensité. Il en résulte qu'il ne faut compenser qu'une très faible augmentation du couple transmis lors d'une augmentation de la vitesse de glissement. Il suffit dès lors d'une élévation de température .plus faible au niveau du matériau ferromagnétique pour obtenir la diminution souhaitée du couple transmis.

D'excellents résultats ont été obtenus en prenant comme matériau ferromagnétique un matériau fritté qui est constitué sur base de poudres métalliques isolées électriquement. Ces matériaux frittés ont de meilleures qualités magnétiques et une température d'utilisation plus élevée que les matériaux composites comprenant des particules ferromagnétiques réparties dans une résine.

Le coupleur à entrefer radial proposé comprend avantageusement un inducteur magnétique constitué de plusieurs roues assemblées sur un arbre, chacune de ces roues supportant sur une couronne radiale périphérique plusieurs aimants permanents. Cette exécution permet, entre autres, un dimensionnement aisé du coupleur en variant le nombre de roues inductrices utilisées.

Le matériau ferromagnétique à hystérésis du rotor est alors avantageusement réparti sur plusieurs anneaux qui sont séparés axialement les uns des autres. Chacun de ces anneaux entoure une desdites roues en définissant un entrefer radial avec cette dernière. Cette exécution permet, grâce à la faible masse des anneaux individuels isolés les uns des autres, de mieux contrôler la variation de température que subit le matériau ferromagnétique, d'autant plus si le rotor supportant ces anneaux comprend des ailettes de refroidissement longitudinales qui assurent un refroidissement optimal.

De préférence chacune desdites roues de l'inducteur 5 magnétique supporte un nombre élevé de petits aimants ayant une surface polaire de 1'ordre de quelques dizaines millimètres carrés seulement. Il en résulte qu'on peut finement optimiser le champ magnétique en fonction des critères de dimensionnement retenus pour le coupleur.

0 II sera noté que le coupleur est avantageusement dimensionné de façon qu'un réchauffement de ses aimants permanents en régime de fonctionnement continu s'accompagne par un réchauffement parallèle des roues supportant ces aimants permanents, de sorte que l'augmentation du diamètre 5 des roues qui en résulte compense automatiquement, par une réduction de l'entrefer, une diminution du champ magnétique produit par lesdits aimants permanents. Il en résulte qu'un échauffement du coupleur lors d'un fonctionnement continu n'affecte pas ou seulement faiblement la valeur du couple 0 transmis.

Dans un mode de réalisation préférentiel lesdits anneaux sont collés à l'aide d'une matière élastique avec leur surface cylindrique extérieure sur une surface cylindrique intérieure dudit rotor extérieur. Il s'agit *5 d'un mode de montage simple, qui permet parfaitement la dilatation thermique réversible du diamètre intérieur de ces anneaux lors de leur échauffement.

La présente invention propose aussi un dispositif enrouleur-dérouleur comprenant un moteur d'entraînement et 50 un tambour enrouleur—dérouleur. Ce dispositif est alors caractérisé par un coupleur magnétique a hystérésis selon l'invention. L'inducteur magnétique de ce coupleur est accouplé au tambour enrouleur-dérouleur et le rotor supportant le matériau ferromagnétique à hystérésis est 35 accouplé au moteur d'entraînement. Ce dispositif se distingue avantageusement par le fait que le couple d'enroulement est plus élevé que le couple de freinage développé lors du déroulement. L'accouplement du moteur d'entraînement au rotor supportant le matériau ferromagnétique à hystérésis assure, par une vitesse de rotation élevée et quasi constante du rotor, un refroidissement optimal du matériau ferromagnétique à hystérésis.

Ce dispositif enrouleur-dérouleur est avantageusement muni d'un réducteur de vitesse connecté entre ledit rotor et ledit tambour enrouleur-dérouleur. Le but de ce réducteur est de diminuer aussi bien la vitesse de glissement maximale lors de l'opération de déroulement, que la variation de la vitesse de glissement entre l'opération d'enroulement et l'opération de déroulement. Il sera apprécié qu'avec un coupleur selon la présente invention, le rapport de réduction de ce réducteur peut être diminué, vu qu'une augmentation de la vitesse de glissement n'entraîne plus nécessairement une augmentation du couple transmis. De plus, il sera montré qu'une influence du rendement du réducteur de vitesse sur la caractéristique du dispositif enrouleur-dérouleur est compensée par la caractéristique négative du coupleur.

Reste à noter que l'utilisation d'un coupleur selon l'invention n'est cependant pas limitée à un dispositif enrouleur-dérouleur. Ses propriétés, notamment sa "caractéristique négative" seront appréciées dans de nombreuses autres utilisations.

D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulteront de la description détaillée d'un exemple d'application et de modes d'exécution préférés, donnés ci-après à titre d'exemples, en se basant sur les figures en annexe, dans lesquelles : - la Figure 1 représente schématiquement un dispositif enrouleur-dérouleur d1 un câble d'alimentation électrique équipant une grue portique ; - la Figure 2 représente dans un diagramme, pour un coupleur magnétique à hystérésis selon l'état de la technique, la dépendance entre la vitesse de glissement et le couple transmis ; - la Figure 3 représente, dans un diagramme analogue à la Figure 2, la dépendance entre la vitesse de glissement et le couple transmis pour un coupleur magnétique à hystérésis selon l'invention ; - la Figure 4 représente, dans une coupe longitudinale, une exécution préférentielle d'un coupleur magnétique à hystérésis selon l'invention ; - la Figure 5 représente une coupe transversale à travers le même coupleur que celui de la Figure 4 , - la Figure 6 représente un détail du coupleur de la Figure 4 ; - la Figure 7 représente un autre détail de la Figure 4 - la Figure 8 représente un détail d'une variante d'exécution du coupleur de la Figure 4.

Pour fixer les idées et pour faciliter la compréhension de la présente invention on décrira d'abord, à titre d'illustration, un exemple d'application typique d'un I coupleur selon l'invention. La Figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif enrouleur-dérouleur 10 équipant une grue portique 12. La fonction de ce dispositif enrouleur-dérouleur 10 est d'enrouler, respectivement de dérouler, un câble d'alimentation ) électrique 14 lors du déplacement de la grue portique sur un chemin de roulement entre deux positions d'extrémités opposées. Une extrémité du câble 14 est attachée au sol en un point fixe 16, le plus souvent en position médiane entre les deux positions d'extrémités. L'autre extrémité du câble 5 14 est enroulée sur un tambour enrouleur-dérouleur 18, solidaire de la grue portique déplaçable 12. La référence 20 représente un canal au niveau du sol dans lequel le câble 14 est déposé lors de son déroulement. Le dispositif enrouleur-dérouleur 10 comprend, en dehors du tambour enrouleur-dérouleur 18, un moteur d'entraînement 22, un coupleur à hystérésis magnétique 24 et, le plus souvent, un réducteur de vitesse 25. Le moteur 22, le plus souvent un moteur triphasé asynchrone tournant par exemple à une vitesse de 1440 tpm, est accouplé à un arbre d'entrée 26 du coupleur magnétique à hystérésis 24. Un arbre de sortie 28 de ce dernier est accouplé via le réducteur de vitesse 25 au tambour enrouleur-dérouleur 18.

Lors de 1 ' avancement de la grue portique 12 de sa position médiane en direction d'une de ses deux positions d'extrémités, le câble 14 est déroulé par le tambour enrouleur-dérouleur 18 pour être déposé dans le canal 20. Le dispositif enrouleur-dérouleur 10 doit produire un couple de freinage qui maintient le câble 14 sous tension lors de son déroulement. On notera que les sens de rotation du tambour enrouleur-dérouleur 18 et du moteur 22 sont opposés lors de l'opération de déroulement.

Lors du retour de la grue portique 12 en direction de sa position médiane, le câble 14 est enroulé sur le tambour enrouleur-dérouleur 18. Le dispositif enrouleur-dérouleur 10 doit maintenant produire uri couple de travail suffisant pour sortir le câble 14 de son canal, pour le soulever et pour l'enrouler sur le tambour enrouleur-dérouleur 18. On notera que les sens de rotation du tambour enrouleur-dérouleur 18 et du moteur 22 sont les mêmes pendant 1'opération d'enroulement.

Lorsque la grue portique 12 est à l'arrêt, le dispositif enrouleur-dérouleur 10 doit aussi fournir un couple de freinage du tambour enrouleur-dérouleur 18 pour maintenir le câble 14 sous tension. On notera que le tambour enrouleur-dérouleur 18 est à l'arrêt, alors que le moteur 22 tourne toujours à sa vitesse nominale.

La Figure 2 représente graphiquement le comportement d'un coupleur à hystérésis magnétique 24, selon l'état de la technique, dans le dispositif enrouleur-dérouleur 10 de la Figure 1. En abscisse est représentée la vitesse de S glissement entre l'inducteur et l'induit magnétiques d'un tel coupleur magnétique à hystérésis 24, en ordonnée le couple directement à la sortie du coupleur 24. La vitesse de glissement (V0) correspond au cas où l'arbre de sortie 28 est à l'arrêt tandis que le moteur 22 tourne à sa ) vitesse nominale. Il s'agit de la situation dans laquelle la grue portique 12 est à l'arrêt. Les vitesses de glissement inférieures à (V0) correspondent à des situations dans lesquelles l'arbre de sortie 28 tourne dans le même sens que le moteur 22. Il s'agit de l'enroulement 5 du câble 14. Les vitesses de glissement supérieures à (V0) correspondent à des situations dans lesquelles l'arbre de sortie 28 tourne dans le sens contraire du moteur 22. Il s'agit du déroulement du câble 14.

La courbe (1', 2') représente la courbe caractéristique 0 théorique du coupleur à hystérésis magnétique. Le couple transmis entre l'inducteur magnétique et l'induit magnétique est indépendant de la vitesse de glissement entre les deux. En pratique, on constate cependant que le couple transmis entre 1'inducteur et 1'induit magnétiques 5 augmente avec la vitesse de glissement (cf. courbe (1, 2)). Ce phénomène est dû au fait que l'inducteur magnétique en rotation relative par rapport à l'induit magnétique crée naturellement dans le matériau ferromagnétique à hystérésis de l'induit magnétique des courants de Foucault qui 0 augmentent le couplage entre 1'induit et 1'inducteur magnétiques. Sur la Figure 2, on voit que le couple CTI, transmis lors de l'enroulement du câble 14, est de loin inférieur au couple CT2, transmis lors du déroulement du câble 14.

5 Soit CT(MIN) la force de traction minimale à appliquer, au niveau du tambour enrouleur-dérouleur 18, au câble 14 pour le retirer du canal 20, pour le remonter et pour l'enrouler sur le tambour enrouleur-dérouleur 18. Le couple minimal nécessaire à l'arbre de sortie 28 du coupleur 24 pour produire CT(MIN) vaut alors :

(1) où: D2 est le diamètre extérieur du tambour enrouleur-dérouleur 18 ; n est le rendement du réducteur de vitesse 25 ; r est le rapport de réduction du réducteur de vitesse 25.

La force de traction appliquée au câble 14 au niveau du tambour enrouleur-dérouleur 18 devient maximale lorsque l'opération de déroulement du câble 14 approche de sa fin, c'est-à-dire lorsque la vitesse de glissement entre l'inducteur et l'induit magnétiques est maximale. Exprimée en fonction du couple de freinage CT2 à l'arbre de sortie 28 du coupleur 24, elle vaut :

(2) où : DI est le diamètre intérieur du tambour enrouleur-dérouleur 18 ;

De (1) et (2) on obtient alors :

(3)

Dans cette équation (3), on peut par exemple admettre que

d'où :

(4)

Sans précautions pour éviter les courants de Foucault dans le matériau ferromagnétique à hystérésis on se trouve sur la courbe (1, 2) de la Figure 2. CT2 est environ 100% plus élevé que CTI, c'est-à-dire que CT (MAX) est environ 7,4 fois plus élevé CT(MIN).

En prenant des précautions adéquates pour éviter les courants de Foucault dans le matériau ferromagnétique à hystérésis on sait bien entendu s'approcher de la courbe théorique (1', 2') dans le diagramme de la Figure 2. Mais même dans ce cas, où CTI est sensiblement égal à CT2, CT(MAX) reste encore 3,7 fois supérieur à CT(MIN).

Reste à préciser que du point de vue fonctionnement du dispositif enrouleur-dérouleur 10 il n'y a aucune raison d'appliquer au câble 14 une force de traction supérieure à CT(MIN). Mais lors du dimensionnement mécanique du câble 14, il faut bien entendu tenir compte de CT (MAX) et non de CT(MIN), ce qui conduit à un surdimensionnement mécanique appréciable du câble 14.

Les Figures 4 à 7 représentent schématiquement des détails constructifs d'un premier mode de réalisation d'un coupleur à hystérésis magnétique selon l'invention. Sur la Figure 4 on voit que l'arbre d'entrée 26 et l'arbre de sortie 28 sont supportés de façon coaxiale dans un châssis 50, par exemple par l'intermédiaire des roulements 52 et 54. L'arbre d'entrée 26 est solidaire d'un induit magnétique 56 tandis que l'arbre de sortie 28 est solidaire d'un inducteur magnétique 58.

L'inducteur magnétique 58 comprend plusieurs roues 60, 61, 62, 63 rendues solidaires de l'arbre de sortie 28 de façon à pouvoir transmettre un couple à ce dernier. Chacune de ces roues 60, 61, 62, 63 est munie d'une couronne périphérique 64 (cf. Figure 6) qui supporte radialement des aimants permanents 66. Au lieu d'utiliser un nombre relativement faible d'aimants permanents avec des surfaces polaires importantes (par exemple des aimants AINiCo), il s'est avéré avantageux d'utiliser plutôt un grand nombre de petits aimants permanents à densité magnétique élevée ayant des surfaces polaires réduites (par exemple de l'ordre de 7 0 mm2). On notera que chaque roue de 1'inducteur magnétique 58 peut par exemple comporter plus de cent petits aimants permanents 66. Sur la Figure 7, qui montre une vue en plan de la couronne périphérique 64 d'une roue 60 de l'inducteur magnétique, on voit que les aimants permanents 66 ont par exemple la forme de pastilles cylindriques qui sont simplement introduites dans des alésages borgnes 68 effectués dans la couronne périphérique 64. Dans ces alésages borgnes 68 les aimants permanents 66 sont maintenus en place par attraction magnétique.

La juxtaposition d'un grand nombre d'aimants permanents 66 de faible surface polaire permet - en jouant par exemple sur la polarité des surfaces polaires orientées vers l'extérieur, l'intensité des aimants individuels et leur agencement sur la couronne périphérique 64 - de finement moduler le champ magnétique créé autour d'une roue 60 de l'inducteur magnétique 58. L'homme de l'art appréciera d'avoir ainsi à sa disposition un moyen facile pour optimiser le champ magnétique.

L'induit magnétique 56 comprend un rotor extérieur 70 qui entoure l'inducteur magnétique 58. Ce rotor extérieur 70 est rendu solidaire d'un côté de l'arbre d'entrée 26 de façon à pouvoir recevoir un couple de ce dernier. Du côté axialement opposé, ce rotor extérieur 70 s'appuie avantageusement à l'aide d'un roulement 72 sur l'arbre de sortie 28. Ce dernier est d'ailleurs avantageusement supporté avec son extrémité libre dans un roulement 74 intégré du côté de l'arbre d'entrée 26 dans le rotor extérieur 70. Des ailettes 76 s'étendent axialement le long de la surface périphérique extérieure du rotor extérieur 70, assurant un refroidissement efficace de ce dernier (cf Figure 5). *

Le rotor extérieur 70 sert de support au matériau ferromagnétique à hystérésis. Ce dernier entoure annulairement les couronnes périphériques 64 des roues 60, 61, 62, 63 de l'inducteur magnétique 58 de façon à définir par rapport aux aimants permanents 66 un jeu radial ou entrefer 78 (cf Figure 6) . Pour fixer les idées on notera que ce jeu radial 78 mesure par exemple quelques dixièmes d'un millimètre.

Dans le mode de réalisation représenté sur les Figure 4 et 6, chaque roue de l'inducteur magnétique 60, 61, 62, 63 est associée à un anneau séparé 80, 81, 82, 83 en un matériau ferromagnétique à hystérésis. Chacun de ces anneaux 80, 81, 82, 83 est par exemple logé dans une rainure 84 de la paroi interne du rotor extérieur 70. Un matériau élastique 85, par exemple de la silicone, assure l'adhérence entre la paroi externe de l'anneau 80 et la paroi interne du rotor extérieur 70, tout en permettant une dilatation thermique réversible de l'anneau 80 (cf. Figure 6). Les anneaux 80, 81, 82, 83 pourraient cependant aussi être fixés à l'aide de moyens mécaniques, par exemple par des vis. Des pièces élastiques d'espacement radial, par exemple des éléments en un matériau élastomère, permettent alors leur dilatation thermique réversible. Il sera aussi noté que les anneaux 80, 81, 82, 83, peuvent être des anneaux constitués en une seule pièce en un matériau ferromagnétique à hystérésis ou des anneaux constitues de plusieurs segments d'anneaux en matériau ferromagnétique à hystérésis qui sont alors fixés à l'intérieur d'un deuxième anneau, constitué en un matériau non nécessairemnt ferromagnétique. Ce deuxième anneau est alors réchauffé par lesdits segments en matériau ferromagnétique à hystérésis et se dilate diamétralement pour produire l'augmentation de 1'entrefer radial qui entraîne la diminution souhaitée du couple transmis.

Le matériau ferromagnétique à hystérésis utilisé est de préférence un matériau fritté constitué de poudres d'oxydes métalliques isolées électriquement. Le matériau ainsi obtenu présente une résistance électrique isotrope élevée, ce qui prévient efficacement la génération de courants de Foucault dans l'induit magnétique. De plus, ses propriétés magnétiques sont excellentes et sa température d'utilisation est relativement élevée. Pour obtenir un résultat analogue on pourrait cependant aussi utiliser un matériau finement feuilleté dans lequel des feuilles en matériau ferromagnétique à hystérésis sont séparées les unes des autres par un film diélectrique.

Une particularité importante du coupleur magnétique proposé réside dans son dimensionnement. Le champ magnétique variable, induit dans le matériau ferromagnétique à hystérésis, produit dans ce dernier un échauffement proportionnel à la fréquence avec laquelle le champ magnétique varie, donc proportionnel à la vitesse de glissement entre l'inducteur magnétique 58 et l'induit magnétique 56. Plus la vitesse de glissement augmente, plus l'énergie calorifique libérée dans le matériau ferromagnétique à hystérésis augmente. L'échauffement de ce dernier produit une augmentation du diamètre intérieur des anneaux 80, 81, 82, 83 de façon que l'entrefer augmente. Selon la présente invention le coupleur est dimensionné de façon que 1'échauffement du matériau ferromagnétique à hystérésis produit, en passant de la vitesse de glissement minimale (VI) à la vitess de glissement maximale (V2), l'augmentation de l'entrefer radial 78 qui entraîne la diminution souhaitée du couple transmis. Il sera noté que la dilatation radiale nécessaire à cet effet est très faible, car le couple transmis est inversement proportionnel au cube de l'extension radiale de l'entrefer entre les aimants 66 et les anneaux 80, 81, 82, 83.

Pour effectuer ce dimensionnement on peut par exemple jouer sur un ou plusieurs des paramètres suivants : les caractéristiques physiques du matériau ferromagnétique à hystérésis (coefficient de dilatation thermique, conductivité thermique, densité, ...); le diamètre intérieur des anneaux 80, 81, 82, 83; la dimension radiale de l'entrefer 78; la masse et l'épaisseur des anneaux 80, 81, 82, 83; le transfert de chaleur entre les anneaux 80, 81, 82, 83 et le rotor extérieur 70 (éventuellement utilisation d'un isolant thermique entre les deux); la conception du rotor extérieur 70 (matériaux, dimensions des ailettes 76, la vitesse d'entraînement du rotor extérieur 70; l'intensité du champ produit par les aimants permanents 66; le nombre d'inversions de la polarité du champ magnétique entourant chaque roue 60, 61, 62, 63 de l'inducteur magnétique 58; etc.

La Figure 3 représente graphiquement, dans un diagramme semblable à celui de la Figure 2, le comportement d'un coupleur magnétique selon 1'invention dans le dispositif enrouleur-dérouleur de la Figure 10. Lorsque la grue portique 12 est à l'arrêt, la vitesse de glissement entre l'inducteur magnétique 58 et l'induit 56 est égale à V0 et le couple de freinage vaut CTO. On se situe au point 0 du diagramme et la température de régime du matériau ferromagnétique à hystérésis est T0. Si le câble 14 est déroulé, la vitesse de glissement augmente de V0 à V2. Le couple de freinage reste, au moins lors des premiers instants, constant car il n'y a pas de courants de Foucault qui sont générés dans le matériau ferromagnétique à hystérésis. Le point de fonctionnement évolue du point 0 vers le point 02. L'augmentation de la vitesse de glissement de V0 à V2 provoque cependant un échauffement du matériau ferromagnétique à hystérésis de la température T0 à la température T2. Suite à cet échauffement du matériau ferromagnétique à hystérésis l'entrefer radial 78 augmente de eO à e2, ce qui se traduit naturellement par une diminution du couple de freinage de CTO à CT2, c'est-à-dire qu'on passe, dans le diagramme de la Figure 3, du point 02 vers le point 2. Si les éléments en matériaux ferromagnétique à hystérésis ont une masse relativement faible, comme c'est le cas dans le coupleur des Figures 4 à 7, le passage de leur température de régime T0 à la température T2 s'effectue rapidement et ne nécessite guère plus que quelques dizaines de secondes (typiquement de l'ordre de 20 secondes).

Si la grue portique 14 est arrêtée, la vitesse de glissement diminue de V2 à V0, c'est-à-dire que le point de fonctionnement passe du point 2 au point 20. En même temps les pertes par hystérésis dans l'induit magnétique diminuent et la température de régime du matériau ferromagnétique à hystérésis descend de T2 vers T0. Il s'ensuit une diminution de l'entrefer 78 de e2 vers el, et par conséquent, une augmentation du couple de freinage de CT2 à CTO. On revient ainsi au point de départ 0 dans le diagramme de la Figure 3.

Si le câble 14 est enroulé, la vitesse de glissement diminue de V0 à VI. Le couple d'enroulement développé à la sortie du coupleur magnétique reste, au moins lors des toutes premières secondes, constant car il n'y a pas de courants de Foucault qui sont générés dans le matériau ferromagnétique à hystérésis. Le point de fonctionnement évolue du point O vers le point 01. La diminution de la vitesse de glissement de V0 à VI provoque cependant une diminution de l'énergie libérée par effet hystérésis dans le matériau ferromagnétique. Il s'ensuit une diminution rapide de la température de régime de ce dernier de T0 à Tl, d'où une diminution rapide de l'entrefer 78 de eO à el et par conséquent une augmentation du couple développé à la sortie du coupleur magnétique 24 de CTO à CTI. Dans le diagramme de la Figure 3, on passe du point 01 au point 1.

Si la grue portique 14 est arrêtée, la vitesse de glissement augmente de nouveau de VI à V0, c'est-à-dire que le point de fonctionnement passe du point 1 au point 10. En même temps les pertes par hystérésis dans l'induit magnétique augmentent et la température de régime du matériau ferromagnétique à hystérésis remonte de Tl vers T0. Il s'ensuit une augmentation de l'entrefer de el à eO et, par conséquent, une diminution du couple développé à la sortie du coupleur 24. On revient ainsi au point de départ 0 dans le diagramme de la Figure 3.

En résumé, le coupleur proposé est caractérisé par un couple de sortie qui diminue d'intensité lorsque la vitesse de glissement entre l'inducteur et l'induit magnétiques augmente. En d'autres termes, le couple d'enroulement est toujours plus élevé que le couple de freinage.

Dans l'équation (4) énoncée plus haut, le rapport CT2/CT1 est maintenant plus petit que l'unité, ce qui réduit naturellement l'écart entre T(MAX) et T(MIN). Il en résulte que le câble électrique 14 doit avoir une résistance mécanique moins élevée, lorsqu'on utilise dans le dispositif enrouleur-dérouleur 10 de la Figure 1 un coupleur magnétique à hystérésis selon la présente invention, plutôt qu'un coupleur magnétique à hystérésis selon l'état de la technique.

Vu que dans le coupleur proposé le couple transmis CT diminue lorsque la vitesse de glissement augmente, il s'avère qu'on peut tolérer des vitesses de glissement plus élevées entre l'inducteur et l'induit magnétiques. Il en résulte que le réducteur de vitesse 25 peut avoir un rapport de réduction plus faible et/ou que la vitesse de rotation du moteur 22 peut être augmentée.

Reste à noter qu'un coupleur à entrefer radial du genre de la Figure 4 a beaucoup d'avantages supplémentaires par rapport aux coupleurs magnétiques à hystérésis à entrefer radial qui sont connus de l'état de la technique.

Un premier avantage est que la transmission d'un couple de l'inducteur magnétique 58 vers l'induit magnétique 56 à travers l'entrefer radial fait intervenir un bras de levier bien plus important que la transmission d'un couple à travers un entrefer axial de même diamètre extérieur. Il en résulte que pour la transmission d'un même couple on a besoin dans le coupleur de la Figure 4 d'une induction magnétique totale moins élevée.

Un deuxième avantage est qu'il est possible de concevoir un coupleur à entrefer radial, tel que représenté sur la Figure 4, de façon à éviter une réduction graduelle lu couple transmis lors d'un fonctionnement prolongé du coupleur. Cette réduction du couple transmis peut s'expliquer par un échauffement des aimants permanents de l'inducteur magnétique, cet échauffement entraînant une diminution de l'intensité de leur champ magnétique. L'échauffement des aimants s'explique surtout par un transfert de chaleur par rayonnement et convexion à travers l'entrefer entre le matériau ferromagnétique à hystérésis porté à une température moyenne plus élevée et les aimants permanents lui faisant face. Or, dans un coupleur tel que représenté sur la Figure 4 on peut éviter une réduction graduelle du couple transmis résultant de 1'échauffement des aimants permanents 66 en profitant de la dilatation thermique des roues 60, 61, 62, 63 qui accompagne 1'échauffement des aimants permanents 66. Il suffit en effet que les roues 60, 61, 62, 63 de l'inducteur magnétique 58 soient conçus de façon que leur dilatation radiale provoque une diminution de l'entrefer radial 78 qui est suffisante pour compenser la diminution de l'intensité du champ magnétique due à 1'échauffement des aimants permanents 66. Vue la masse relativement élevée des roues 60, 61, 62, 63 la dilatation thermique de ces dernières n'est cependant pas ou très peu affectée par des variations de température du matériau ferromagnétique à hystérésis lors du passage de la vitesse de glissement minimale VI à la vitesse de glissement maximale V2 et vice-versa. De préférence les roues 60, 61, 62, 63 sont réalisées en un matériau très bon conducteur de chaleur et une attention particulière est accordée au transfert de chaleur entre les aimants permanents 66 et la couronne périphérique 64 des roues 60, 61, 62, 63. Ainsi une pâte conductrice de chaleur dans les alésages 68 favorise le couplage thermique entre les aimants et les roues 60, 61, 62, 63.

Un troisième avantage notable est que l'inducteur magnétique composé de plusieurs roues 60, 61, 62, 63 agencées sur l'arbre de sortie 28 offre des facilités appréciables en ce qui concerne le dimensionnement du coupleur. Pour augmenter le couple transmis, il suffit en effet d'ajouter une roue supplémentaire à l'inducteur magnétique 58 et un anneau supplémentaire à l'induit magnétique 56. Pour réduire le couple transmis, il suffit naturellement d'enlever une roue de l'inducteur magnétique 58. Vu que 1'échauffement du matériau ferromagnétique à hystérésis est fonction de l'intensité du champ magnétique, on peut aussi influencer le comportement thermique du matériau ferromagnétique à hystérésis par un choix convenable du nombre de roues d'inducteurs.

Un quatrième avantage d'un coupleur du genre de celui représenté sur la Figure 4 réside dans le grand nombre de petits aimants 66 par roue d'inducteur 60, 61, 62, 63. En jouant sur la puissance, la polarité et la répartition de ces nombreux petits aimants, il est possible de moduler le champ magnétique produit et de créer par exemple un nombre plus ou moins élevé d'inversions de la polarité du champ magnétique entourant chaque roue 60, 61, 62, 63. De cette façon on peut par exemple déterminer avec précision les températures de travail Tl, T0 et T2 du matériau ferromagnétique à hystérésis.

Un cinquième avantage d'un coupleur du genre de celui représenté sur la Figure 4 réside dans la conception de l'induit magnétique sous forme d'anneaux 80, 81, 82, 83 entourant les roues 60, 61, 62, 63 de l'inducteur magnétique 58. Ces anneaux 80, 81, 82, 83 sont en effet caractérisés par une massivité , donc inertie thermique faible, ce qui garantie une variation rapide de leur température de régime lorsque l'énergie dissipée par effet hystérésis dans le matériau ferromagnétique varie. Leur refroidissement est idéal, car leur surface de contact avec le rotor extérieur 70 est plus élevée que leur surface orientée vers les aimants 66. Reste enfin à noter dans ce contexte que l'entrefer radial peut bien entendu être réalisé plus facilement et avec plus de précision qu'un entrefer axial entre deux disques en rotation. Dans un coupleur avec un entrefer radial entre l'inducteur et L ' induit magnétiques on peut dès lors travailler avec un entrefer plus petit que dans un coupleur avec un jeu axial sntre l'inducteur 58 et l'induit 56 magnétiques. Il s'ensuit que pour transmettre le même couple on a besoin d'un champ magnétique nettement plus faible.

Un sixième avantage d'un coupleur du genre représenté sur la Figure 4 réside dans la conception de refroidissement dû rotor extérieur 70. L'énergie calorifique produite dans les anneaux 80, 81, 82, 83 est évacuée par le chemin le plus court possible vers les ailettes longitudinales 76, équipant le rotor extérieur 70. Les roulements 74 et 72 sont très éloignés des endroits les plus chauds du rotor extérieur 70. Dans un coupleur à entrefer axial selon l'état de la technique les paliers de l'arbre d'entrée et de l'arbre de sortie sont par contre situés à proximité immédiate du matériau ferromagnétique à hystérésis et sont dès lors exposés à un échauffement bien p lus imp or tant.

Un septième avantage d'un coupleur du genre représenté sur la Figure 4 réside dans la possibilité de faire varier le recouvrement entre les anneaux 80, 81, 82, 83 de l'induit magnétique 56 et les roues 60, 61, 62, 63 de l'inducteur magnétique 58 et d'ajuster ainsi finement la valeur du couple transmis. A cette fin les roues 60, 61, 62, 63 sont montées à l'intérieur du rotor extérieur de façon à être déplaçables axialement par rapport à ce dernier. La Figure 8 montre une exécution préférentielle d'un coupleur dans lequel le recouvrement entre les anneaux 80, 81, 82, ... de l'induit magnétique 56 et les roues 60, 61, 62, ... de l'inducteur magnétique 58 est ajustable de façon quasi continue entre 0 et 100% de l'extérieur du rotor extérieur 70. Les roues 60, 61, 62, ... forment un bloc inducteur qui est traversé par l'arbre 28 sans être rendu solidaire de ce dernier. Le bloc inducteur est solidaire d'un manchon 90 qui traverse axialement le roulement 72. Il sera noté que ce manchon est vissé sur un segment fileté 92 de l'arbre 28. Par une rotation relative entre le manchon 90 et l'arbre 28, on sait par conséquent déplacer axialement le manchon 90 sur l'arbre 28, ce qui permet de varier le recouvrement entre les roues 60, 61, 62, ... de l'inducteur et les anneaux 80, 81, 82, ... de l'induit. Ensuite il ne reste plus qu'à bloquer le manchon 90 en rotation par rapport à l'arbre 28 à l'extérieur du rotor extérieur 70, par exemple à l'aide d'une goupille de position 94.

Claims (11)

1. Coupleur magnétique à hystérésis comprenant un rotor extérieur (70) supportant un matériau ferromagnétique à hystérésis et un inducteur magnétique (58) rotatif agençé dans ledit rotor extérieur (70) de façon à définir un entrefer radial (78) délimité extérieurement par le matériau ferromagnétique à hystérésis, la vitesse de glissement entre l'inducteur magnétique (58) et le matériau ferromagnétique à hystérésis variant entre une valeur minimale (VI) et maximale (V2), caractérisé en ce que ledit matériau ferromagnétique à hystérésis forme au moins un anneau (80) qui est monté dans ledit rotor extérieur (70) de façon à pouvoir subir une dilatation thermique réversible de son diamètre intérieur, cette dilatation thermique entraînant une augmentation dudit entrefer radial (78) , et en ce que le coupleur est dimensionné de façon qu'un réchauffement du matériau ferromagnétique, qui accompagne un passage de la vitesse de glissement minimale (VI) à la vitesse de glissement maximale (V2), produise une augmentation dudit entrefer radial (78) qui entraîne la diminution souhaitée du couple transmis lors du passage de la vitesse de glissement minimale (VI) à la vitesse de glissement maximale (V2) .

2. Coupleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau ferromagnétique est un matériau à résistivité électrique élevée.

3. Coupleur selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit matériau ferromagnétique est un matériau fritté qui est constitué sur base de poudres métalliques isolées électriquement.

4. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit inducteur magnétique (58) comprend plusieurs roues (60, 61, 62, 63) assemblées sur un arbre (28), chacune de ces roues (60, 61, 62, 63) étant munie d'une couronne périphérique (64) supportant plusieurs aimants permanents (66) , et en ce que le matériau ferromaqnétique à hystérésis est réparti sur plusieurs anneaux (80, 81, 82, 83) séparés axialement les uns des autres, chacun de ces anneaux (80, 81, 82, 83) entourant une desdites roues (60, 61, 62, 63) de façon à définir uri entrefer radial (78) avec cette dernière.

5. Coupleur selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'agencement axial entre une ou plusieurs desdites roues (60, 61, 62, 63) et leurs anneaux (80, 81, 82, 83) correspondants est ajustable, de sorte à pouvoir varier le recouvrement radial entre ces roues et leurs anneaux.

6. Coupleur selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que le rotor supportant lesdits anneaux (80, 81, 82, 83) comprend des ailettes de refroidissement longitudinales (76).

7. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que chacune desdites roues (60, 61, 62, 63) supporte un nombre élevé de petits aimants permanents (66) ayant une surface polaire de l'ordre de quelques dizaines de mm2.

8. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce le coupleur est dimensionné de façon qu'un réchauffement, respectivement un refroidissement de ses aimants permanents (66) en régime continu s'accompagnent par un réchauffement, respectivement par un refroidissement parallèles des roues (60, 61, 62, 63) • supportant ces aimants permanents (66), de sorte que les variation de diamètre des roues (60, 61, 62, 63) qui en résultent compensent automatiquement par une réduction, respectivement une augmentation de l'entrefer radial (78), une diminution, respectivement une augmentation du champ j magnétique produit.

9. Coupleur selon la revendication 1 à 8 caractérisé en ce que lesdits anneaux (80, 81, 82, 83) en matériau ferromagnétique à hystérésis sont collés à l’aide d'une matière élastique avec leur surface cylindrique extérieure sur une surface cylindrique intérieure dudit rotor extérieur (70).

10. Dispositif enrouleur-dérouleur comprenant un moteur d'entraînement (22) et un tambour enrouleur-dérouleur (18), caractérisé par un coupleur magnétique à hystérésis (24) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dont le rotor extérieur (70) est accouplé au moteur d'entraînement (22) et l'inducteur magnétique (58) est accouplé au tambour enrouleur-dérouleur (18).

11. Dispositif enrouleur-dérouleur selon la revendication 10 caractérisé par un réducteur de vitesse (25) connecté entre l'inducteur magnétique (58) et le tambour enrouleur-dérouleur (18) . «