WO2017108527A1 - Frein pour machine electrique tournante - Google Patents

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WO2017108527A1
WO2017108527A1 PCT/EP2016/080969 EP2016080969W WO2017108527A1 WO 2017108527 A1 WO2017108527 A1 WO 2017108527A1 EP 2016080969 W EP2016080969 W EP 2016080969W WO 2017108527 A1 WO2017108527 A1 WO 2017108527A1
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brake
yoke
armature
machine
shaft
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PCT/EP2016/080969
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Pascal Carriot
Benoît VINCENT
Joël MAYSOUNABE
Pascal Beynaud
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Moteurs Leroy-Somer
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    • H02K7/102—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with friction brakes
    • H02K7/1021—Magnetically influenced friction brakes
    • H02K7/1023—Magnetically influenced friction brakes using electromagnets
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    • F16D2125/58—Mechanical mechanisms transmitting linear movement
    • F16D2125/64—Levers

Definitions

  • the present invention relates to the brakes for electric motors.
  • the motors are equipped with power-down brakes, which block the motor rotor when they stop being electrically powered.
  • These brakes conventionally comprise a fixed yoke relative to the motor housing, which houses a coil, and a movable armature that can be moved under the effect of a magnetic field generated by the coil. Return springs urge the armature to hold it in the locked position of the rotor when the coil is not energized. To release the brake, a current is sent into the coil, which moves the armature from its blocking position, against the spring return action.
  • the engines are often equipped with several redundant brakes.
  • the brakes are thus stacked axially or arranged side by side on either side of the rotor shaft.
  • DE 7146345 discloses a brake comprising a movable armature.
  • EP 1 715 564 A2 discloses an engine equipped with two brakes, each in the form of a stirrup, with two moving armatures and two independent fixed yokes.
  • EP 1 883 756 A2 describes an engine equipped with two independent brakes, each with a movable armature and a fixed yoke.
  • the yokes have a rectangular shape, and the coils an elliptical or annular shape.
  • the known brakes are relatively noisy.
  • the invention achieves this goal by means of a rotating electric machine brake comprising a rotor having a shaft, the brake comprising:
  • At least one yoke movable between a braking position of the machine shaft and a position of free rotation of the shaft
  • the armature being arranged so that the excitation of the coil causes a reconciliation of the yoke of the armature and moves the cylinder head away from the brake disc.
  • the speed of the bolt is lower because it takes longer to accelerate.
  • the brake can use a single disc, which reduces weight and bulk.
  • the elastic return system is interposed between the armature and the cylinder head. It is constituted for example by several helical springs. These springs can be housed in the thickness of a wall of the cylinder head which defines the housing receiving the coil. When this housing has an elongated shape, the springs are preferably arranged along the long sides of the cylinder head. The springs are advantageously received in blind holes of the cylinder head.
  • the yoke is open towards the armature. This makes it easier to provide the bolt with a clean surface to contact the brake lining of the brake disc.
  • an operating lever may be provided to act on the yoke through the frame, for example being engaged under a screw head fixed on the yoke and protruding from the yoke.
  • armature opposite the motor housing. This lever can, when it is actuated, be supported on the frame, in particular via a plate which it is secured at its base, to pull the breech.
  • the frame may have substantially the same outer contour as the breech.
  • the armature and / or the cylinder head may in particular have a substantially polygonal contour.
  • the coil is elongated.
  • the cylinder head is preferably a casting, which allows to achieve it at a lower cost. It is the same with the frame.
  • the frame can carry removable caps that face the breech housing that can receive additional compression springs of the elastic return system, thereby increasing the braking torque without having to disassemble the brake.
  • the invention also relates to an electric rotary machine comprising at least one brake according to the invention, as defined above.
  • the brake is multiple, preferably double, that is to say that the machine comprises at least two identical brake units disposed on either side of the axis of the rotor.
  • the brake comprises a plurality of yokes, in particular two yokes disposed on either side of the axis of the rotor, and a reinforcement common to them.
  • Such an armature may comprise two parts arranged on either side of the rotor axis, connected by bridges of material, preferably integral with said parts. Each part of the frame is associated with a corresponding breech.
  • the or each brake may have its armature fixed to the housing of the machine by screws and spacers between which and / or on which moves the corresponding yoke.
  • damping elements are interposed between the yoke and the housing on the one hand, and the yoke and the frame on the other hand.
  • damping elements are preferably constituted by rings of an elastically deformable material, such as an elastomer, engaged on the spacers.
  • the damping element is constituted by an O-ring disposed between the yoke and the armature
  • the invention applies to any rotary electrical machine, but is particularly suitable for those for which the rotor drives a winch or a pulley.
  • the brake disc is axially movable on the shaft of the machine, thanks to a grooved connection for example.
  • FIG. 1 represents in isolation and in perspective a brake produced according to a first example of implementation of the invention
  • FIG. 2 shows the brake of FIG. 1 from another angle of view, after the removal of certain components, in particular from the yoke of one of the brake units,
  • FIG. 3 partially and schematically represents, in perspective, the brake of FIG. 1 with certain components removed, in particular the armature,
  • FIG. 4 is another partial schematic view of the brake of FIG. 1, reinforcement and coil removed, FIG. 5 schematically and partially, in perspective, an example of an engine equipped with a second example of a brake according to the invention, and
  • FIG. 6 is a schematic axial section of a brake unit of FIG. 5.
  • FIGS. 1 to 4 show a brake 10 according to a first embodiment of the invention.
  • This brake 10 is intended to equip an electric motor not shown in the figures, comprising a rotor rotating with a shaft relative to a housing on which the brake is fixed.
  • the rotor can be wound and / or permanent magnet or squirrel cage.
  • the shaft rotates a brake disc which carries brake linings 21 and 22.
  • the brake disk is connected to the shaft by a splined connection, which allows it to transmit the braking torque to the shaft while being able to move axially with respect thereto.
  • the brake 10 comprises two identical brake units 30, which share a common armature 34, divided into two parts 34a and 34b connected by material bridges 34c. Parts 34a and 34b are respectively associated with brake units 30.
  • Each brake unit 30 comprises a yoke 31 which has a housing 32 open on the opposite side to the housing.
  • a coil 33 of elongate shape is received in the housing 32.
  • the yoke 31 is for example made of magnetic iron.
  • the yoke 31 is made with a bundle of assembled magnetic sheets, like the sheet packs of the rotors or stators conventionally used.
  • the armature 34 is fixed on the casing of the machine by means of screws 36 and spacers 37.
  • Each yoke 31 is located between the frame 34 and the housing, and it is biased against the housing by compression springs 38, apparent in FIG. 4.
  • springs 38 are housed in blind holes 41 machined in the peripheral wall 42 of the yoke 31, which delimits laterally the housing 32.
  • the springs 38 are for example twelve in number for each yoke 31, being distributed in two groups of three along the long sides of the cylinder head 31.
  • the yoke 31 approaches by magnetic attraction of the armature 34 and away from the brake disk 20, which is released and can rotate freely again.
  • the yoke 31 has extensions 51 at its longitudinal ends, which are traversed by the spacers 37, as can be seen in Figure 2 in particular.
  • Damping elements constituted by rings 53 of an elastically deformable material are mounted on each spacer 37 on either side of the corresponding extension 51.
  • One of the rings 53 thus interposes axially between the yoke 31 and the frame 34 and the other ring 53 between the yoke 31 and the casing 7.
  • These rings 53 do not prevent the axial displacement of the yoke 31 between the braking and free rotation positions, but allow to dampen the movement of the cylinder head at the end of travel and further reduce the operating noise.
  • a lever 60 visible in particular in Figure 3, is provided.
  • This lever 60 comprises at its base a plate 61 provided with two openings 62 for engaging between the head 64 of screw 65 and the outer face 66 of the frame 34.
  • the screws 65 are each fixed in a corresponding yoke 31, as can be seen in particular in Figure 4, and through the armature 34 in favor of bores of sufficient diameter.
  • the openings 62 do not hinder the pivoting of the wafer 61, because they are open in the opposite direction to the lever 60.
  • the armature carries plugs 70, visible in particular in Figure 1, which are accessible through corresponding openings 73 of the armature 34.
  • These plugs 70 face housing 75 of the breech, constituted by blind holes, which can receive additional compression springs that increase the braking torque. It is possible to add these springs without disassembling the brake, by removing the plugs 70, by introducing the springs, then by replacing the plugs 70. The springs then bear against the plugs 70.
  • the two brake units 30 share the same reinforcement 34, this being made in the form of a single piece by casting, for example.
  • each brake unit 30 with a clean armature 34, as illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • each brake unit 30 can be put in place and removed independently of the other unit.
  • the brake can be made with more than two brake units or alternatively with a single unit.
  • the cylinder head is for example ring-shaped.

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Abstract

Frein (10) pour machine électrique tournante comportant un rotor ayant un arbre, le frein comportant : - au moins une armature fixe (34), - au moins une culasse (31) mobile entre une position de freinage de l'arbre de la machine et une position de libre rotation de l'arbre, - au moins une bobine (33) portée par la culasse, - au moins un disque de frein (20) porté par l'arbre du rotor, - au moins un système de rappel élastique (38) pour appliquer la culasse contre le disque de frein en l'absence d'excitation électrique de la bobine, l'armature étant disposée de telle sorte que l'excitation de la bobine provoque un rapprochement de la culasse de l'armature et éloigne la culasse du disque de frein.

Description

Frein pour machine électrique tournante
La présente invention concerne les freins pour moteurs électriques. Dans certaines applications, telles que le levage ou l'entraînement de cabines d'ascenseurs, les moteurs sont équipés de freins à manque de courant, qui bloquent le rotor du moteur lorsqu'ils cessent d'être alimentés électriquement.
Ces freins comportent classiquement une culasse fixe par rapport au carter du moteur, qui loge une bobine, et une armature mobile qui peut être déplacée sous l'effet d'un champ magnétique généré par la bobine. Des ressorts de rappel exercent une poussée sur l'armature pour la maintenir en position de blocage du rotor lorsque la bobine n'est pas alimentée. Pour desserrer le frein, un courant est envoyé dans la bobine, ce qui éloigne l'armature de sa position de blocage, contre l'action de rappel des ressorts.
Pour des questions de sécurité, les moteurs sont souvent équipés de plusieurs freins redondants. Les freins sont ainsi empilés axialement ou disposés côte-à-côte de part et d'autre de l'arbre du rotor.
DE 7146345 divulgue un frein comportant une armature mobile.
EP 1 715 564 A2 divulgue un moteur équipé de deux freins, chacun en forme d'étrier, avec deux armatures mobiles et deux culasses fixes indépendantes.
EP 1 883 756 A2 décrit un moteur équipé de deux freins indépendants, chacun avec une armature mobile et une culasse fixe. Les culasses ont une forme rectangulaire, et les bobines une forme elliptique ou annulaire.
Les freins connus s'avèrent relativement bruyants.
Il existe un besoin pour bénéficier d'un frein facile à implanter sur un moteur électrique, de fonctionnement fiable, d'encombrement réduit et peu bruyant.
L'invention atteint ce but grâce à un frein pour machine électrique tournante, comportant un rotor ayant un arbre, le frein comportant :
au moins une armature fixe,
au moins une culasse mobile entre une position de freinage de l'arbre de la machine et une position de libre rotation de l'arbre,
au moins une bobine portée par la culasse,
- au moins un disque de frein porté par l'arbre du rotor,
au moins un système de rappel élastique pour appliquer la culasse contre le disque de frein en l'absence d'excitation électrique de la bobine, l'armature étant disposée de telle sorte que l'excitation de la bobine provoque un rapprochement de la culasse de l'armature et éloigne la culasse du disque de frein.
Le fait que la culasse soit mobile, dans l'invention, tend à réduire le bruit de fonctionnement car la culasse avec sa bobine est plus massive que l'armature. La vitesse de la culasse est moindre car elle met plus de temps à accélérer. Le frein peut utiliser un seul disque, ce qui permet de réduire le poids et l'encombrement.
De préférence, le système de rappel élastique s'interpose entre l'armature et la culasse. Il est constitué par exemple par plusieurs ressorts hélicoïdaux. Ces ressorts peuvent être logés dans l'épaisseur d'une paroi de la culasse qui délimite le logement recevant la bobine. Lorsque ce logement présente une forme allongée, les ressorts sont de préférence disposés le long des grands côtés de la culasse. Les ressorts sont avantageusement reçus dans des trous borgnes de la culasse.
De préférence, la culasse est ouverte en direction de l'armature. Cela permet de ménager plus facilement sur la culasse une surface propre à contacter la garniture de freinage du disque de frein.
Pour permettre d'actionner manuellement le frein en l'absence de courant, un levier de manœuvre peut être prévu pour agir sur la culasse à travers l'armature, étant par exemple engagé sous une tête de vis fixée sur la culasse et dépassant de l'armature à l'opposé du carter du moteur. Ce levier peut, lorsqu'il est actionné, prendre appui sur l'armature, notamment via une plaquette dont il est solidaire à sa base, pour tirer sur la culasse.
L'armature peut avoir sensiblement même contour extérieur que la culasse. L'armature et/ou la culasse peuvent notamment avoir un contour sensiblement polygonal. De préférence, la bobine est de forme allongée.
La culasse est de préférence une pièce de fonderie, ce qui permet de la réaliser à un moindre coût. Il en est de même de l'armature.
L'armature peut porter des bouchons amovibles qui font face à des logements de la culasse pouvant recevoir des ressorts de compression additionnels du système de rappel élastique, permettant ainsi d'augmenter le couple de freinage sans avoir à démonter le frein.
L'invention a encore pour objet une machine tournante électrique comportant au moins un frein selon l'invention, tel que défini ci-dessus. Il est tout particulièrement avantageux que le frein soit multiple, de préférence double, c'est-à-dire que la machine comporte au moins deux unités de frein identiques disposées de part et d'autre de l'axe du rotor. En variante, le frein comporte plusieurs culasses, notamment deux culasses disposées de part et d'autre de l'axe du rotor, et une armature commune à celles-ci. Une telle armature peut comporter deux parties disposées de part et d'autre de l'axe de rotor, reliées par des ponts de matière, de préférence venus de matière avec lesdites parties. Chaque partie de l'armature est associée à une culasse correspondante.
Le ou chaque frein peut avoir son armature fixée au carter de la machine par des vis et entretoises entre lesquelles et/ou sur lesquelles se déplace la culasse correspondante.
De préférence, des éléments amortisseurs s'interposent entre la culasse et le carter d'une part, et la culasse et l'armature d'autre part. Ces éléments amortisseurs sont de préférence constitués par des bagues en un matériau élastiquement déformable, tel qu'un élastomère, engagées sur les entretoises. Dans certains freins connus, l'élément amortisseur est constitué par un joint torique disposé entre la culasse et l'armature
L'invention s'applique à toute machine électrique tournante, mais convient tout particulièrement à celles pour lesquelles le rotor entraîne un treuil ou une poulie.
De préférence, le disque de frein est mobile axialement sur l'arbre de la machine, grâce à une liaison cannelée par exemple.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 représente isolément et en perspective un frein réalisé conformément à un premier exemple de mise en œuvre de l'invention,
la figure 2 représente le frein de la figure 1 sous un autre angle de vue, après enlèvement de certains composants, notamment de la culasse de l'une des unités de frein,
la figure 3 représente de façon partielle et schématique, en perspective, le frein de la figure 1 avec certains composants enlevés, notamment l'armature,
la figure 4 est une autre vue partielle et schématique du frein de la figure 1 , armature et bobine enlevées, la figure 5 représente de façon schématique et partielle, en perspective, un exemple de moteur équipé d'un deuxième exemple de frein selon l'invention, et
la figure 6 est une coupe axiale schématique d'une unité de frein de la figure 5.
On a représenté aux figures 1 à 4 un frein 10 conforme à un premier exemple de mise en œuvre de l'invention. Ce frein 10 est destiné à équiper un moteur électrique non apparent sur les figures, comportant un rotor tournant avec un arbre relativement à un carter sur lequel se fixe le frein.
Le rotor peut être bobiné et/ou à aimants permanents ou à cage d'écureuil. L'arbre entraîne en rotation un disque de frein qui porte des garnitures de freinage 21 et 22. Le disque de frein est relié à l'arbre par une liaison cannelée, ce qui lui permet de transmettre le couple de freinage à l'arbre tout en pouvant se déplacer axialement par rapport à celui-ci.
Dans l'exemple des figures 1 à 4 le frein 10 comporte deux unités de frein 30 identiques, qui partagent une armature 34 commune, divisée en deux parties 34a et 34b reliées par des ponts de matière 34c. Les parties 34a et 34b sont respectivement associées aux unités de frein 30.
Chaque unité de frein 30 comporte une culasse 31 qui présente un logement 32 ouvert du côté opposé au carter.
Une bobine 33 de forme allongée est reçue dans le logement 32. La culasse 31 est par exemple réalisée en fonte magnétique. En variante, la culasse 31 est réalisée avec un paquet de tôles magnétiques assemblées, à l'instar des paquets de tôles des rotors ou stators classiquement utilisés.
L'armature 34 est fixée sur le carter de la machine à l'aide de vis 36 et d'entretoises 37.
Chaque culasse 31 est située entre l'armature 34 et le carter, et elle est sollicitée en appui contre le carter par des ressorts de compression 38, apparents sur la figure 4.
Ces ressorts 38 sont logés dans des trous borgnes 41 usinés dans la paroi périphérique 42 de la culasse 31, qui délimite latéralement le logement 32. Les ressorts 38 sont par exemple au nombre de douze pour chaque culasse 31 , étant répartis selon deux groupes de trois le long des grands côtés de la culasse 31. Ainsi, lorsque la bobine 33 n'est pas alimentée électriquement, la culasse 31 est plaquée contre le disque de frein par les ressorts 38, et ce dernier est poussé contre le carter. Les garnitures de freinage 21 et 22 s'appliquent ainsi respectivement contre le carter et la culasse 31 et le rotor est bloqué en rotation. Le frein est dit à « manque de courant », car il exerce son action de freinage lors de la coupure de l'alimentation électrique de la bobine. Les culasses 31 s'appliquent sur le disque de frein de part et d'autre de l'axe de rotation de celui-ci.
Lorsque la bobine 33 est alimentée électriquement, la culasse 31 se rapproche par attraction magnétique de l'armature 34 et s'éloigne du disque de frein 20, lequel est libéré et peut à nouveau tourner librement.
La culasse 31 présente des extensions 51 à ses extrémités longitudinales, qui sont traversées par les entretoises 37, comme on peut le voir sur la figure 2 notamment.
Des éléments d'amortissement constitués par des bagues 53 en un matériau élastiquement déformable sont montés sur chaque entretoise 37 de part et d'autre de l'extension 51 correspondante. L'une des bagues 53 s'interpose ainsi axialement entre la culasse 31 et l'armature 34 et l'autre bague 53 entre la culasse 31 et le carter 7.
Ces bagues 53 n'empêchent pas le déplacement axial de la culasse 31 entre les positions de freinage et de libre rotation, mais permettent d'amortir le déplacement de la culasse en fin de course et de réduire encore davantage le bruit de fonctionnement.
Pour permettre de manœuvrer le frein manuellement en l'absence d'alimentation électrique des bobines 33, un levier 60, visible notamment sur la figure 3, est prévu.
Ce levier 60 comporte à sa base une plaquette 61 pourvue de deux ouvertures 62 permettant de l'engager entre la tête 64 de vis 65 et la face extérieure 66 de l'armature 34.
Les vis 65 sont fixées chacune dans une culasse 31 correspondante, comme on peut le voir notamment sur la figure 4, et traversent l'armature 34 à la faveur de perçages de diamètre suffisant.
Lorsque l'opérateur souhaite débloquer le frein 10, il pousse sur le levier 60. La plaquette 61 prend appui sur la face extérieure 66 des parties 34a et 34b de l'armature 34 et pivote légèrement, ce qui tire sur les vis 65 en soulevant leur tête 64. Les vis 65 amènent les culasses 31 à reculer et à s'éloigner du disque de frein, contre l'action des ressorts 38.
Les ouvertures 62 ne gênent pas le pivotement de la plaquette 61, du fait qu'elles sont ouvertes dans la direction opposée au levier 60.
L'armature porte des bouchons 70, visibles notamment sur la figure 1, qui sont accessibles à travers des ouvertures correspondantes 73 de l'armature 34. Ces bouchons 70 font face à des logements 75 de la culasse, constitués par des trous borgnes, qui peuvent recevoir des ressorts de compression additionnels qui augmentent le couple de freinage. Il est possible d'ajouter ces ressorts sans démonter le frein, en enlevant les bouchons 70, en introduisant les ressorts, puis en remettant en place les bouchons 70. Les ressorts viennent alors en appui contre les bouchons 70.
Dans l'exemple des figures 1 à 4, les deux unités de frein 30 partagent la même armature 34, celle-ci étant réalisée sous la forme d'une pièce unique par fonderie par exemple.
II est possible de réaliser chaque unité de frein 30 avec une armature 34 propre, comme illustré sur les figures 5 et 6.
Dans ce cas, chaque unité de frein 30 peut être mise en place et enlevée indépendamment de l'autre unité.
On voit sur ces figures le carter 7 du moteur sur lequel est fixé le frein, ainsi que le disque de frein 20 qui porte les garnitures de freinage 21 et 22.
Sur les figures 5 et 6, on n'a pas représenté le levier de déverrouillage, mais celui-ci peut être le même que le levier 60 de l'exemple des figures 1 à 4.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.
On peut réaliser le frein avec plus de deux unités de frein ou en variante avec une seule unité. Dans ce cas, la culasse est par exemple de forme annulaire.

Claims

REVENDICATIONS
1. Frein (10) pour machine électrique tournante comportant un rotor ayant un arbre, le frein comportant :
- au moins une armature fixe (34),
au moins une culasse (31) mobile entre une position de freinage de l'arbre de la machine et une position de libre rotation de l'arbre,
au moins une bobine (33) portée par la culasse,
au moins un disque de frein (20) porté par l'arbre du rotor, - au moins un système de rappel élastique (38) pour appliquer la culasse contre le disque de frein en l'absence d'excitation électrique de la bobine, l'armature étant disposée de telle sorte que l'excitation de la bobine provoque un rapprochement de la culasse de l'armature et éloigne la culasse du disque de frein.
2. Frein selon la revendication 1, le système de rappel élastique (38) s'interposant entre l'armature et la culasse.
3. Frein selon la revendication 1 ou 2, la culasse (31) étant ouverte en direction de l'armature.
4. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un levier de manœuvre (60) pour agir sur la culasse à travers l'armature, ce levier étant de préférence engagé sous au moins une tête (64) de vis fixée sur la culasse et dépassant de l'armature à l'opposé du carter du moteur.
5. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'armature ayant sensiblement même contour extérieur que la culasse.
6. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'armature et/ou la culasse ayant un contour sensiblement polygonal.
7. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, la bobine (33) étant de forme allongée.
8. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, la culasse (31) étant une pièce de fonderie.
9. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des éléments amortisseurs (53) s'interposent entre la culasse et le carter d'une part, et la culasse et l'armature d'autre part.
10. Frein selon la revendication précédente, les éléments amortisseurs (53) étant constitués par des bagues en un matériau élastiquement déformable, tel qu'un élastomère.
11. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'armature (34) portant des bouchons amovibles (70) qui font face à des logements (75) de la culasse pouvant recevoir des ressorts de compression additionnels permettant d'augmenter le couple de freinage, ces ressorts pouvant être mis en place sans démonter le frein.
12. Machine tournante électrique comportant au moins un frein (10) tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Machine selon la revendication 12, comportant au moins deux unités de frein identiques disposées de part et d'autre de l'axe du rotor.
14. Machine selon l'une des revendications 12 et 13, l'armature étant fixée au carter de la machine par des vis et entretoises entre lesquelles et/ou sur lesquelles se déplace la culasse (31).
15. Machine selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, le rotor entraînant un treuil ou une poulie.
16. Machine selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, le disque de frein (20) étant mobile axialement sur l'arbre de la machine.
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