Brevet FR2137313A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne des perfectionnements aux cou-pleurs-variateurs à courants de Foucault. L'invention est relative, plus particulièrement, à des dispositifs d'accouplement électromagnétique à courants de Foucault du type dans lesquels une bobine 5 d'excitation fixe est montée dans un stator qui entoure deux rotors coaxiaux. Suivant ces formes de réalisations connues, l'un des rotors, de préférence le rotor denté, est solidaire de l'arbre mené ou arbre de sortie, tandis que le second rotor appelé rotor lisse, est solidaire de l'arbre menant ou arbre d'entrée ; un prolongement 10 de l'arbre d'entrée est logé à l'intérieur du rotor denté par rapport auquel il est supporté grâce à deux roulements à billes assurant l'alignement coaxial des deux rotors. L'ensemble est agencé en sorte que le flux magnétique engendré par la bobine traverse un entrefer actif dans la zone duquel se produisent les courants de 15 Foucault, le chemin du flux magnétique comportant par ailleurs la traversée de deux entrefers passifs. La denture du premier rotor est située dans la zone d'entrefer actif en regard d'une partie lisse du second rotor. Cette partie lisse est en général réalisée sous forme d'un anneau en acier à haute perméabilité magnétique. 20 Le rotor peut être équipé d'ailettres destinées au refroidissement par ventilation centrifuge. Des coupleurs-variateurs de ce type sont décrits notamment dans le brevet français n° 1515 517 déposé par Mrs Elie GOHEU et Szymon ROTH. H est entendu que les perfectionnements résultant 25 de la présente invention psuvent être appliqués aux accouplements électromagnétiques de conception générale similaire. L'invention a pour but d'améliorer les performances de tels coupleurs du point de vue rapport entre la puissance dissipée et la masse ainsi que du point de vue puissance délivrée pour une 30 masse donnée, tout en préservant, voir Même en améliorant, les caractéristiques de simplicité de construction et de capacité de dissipation thermique. La masse (ou le poids) d'un coupleur à courants de Foucault pour un couple déterminé, dépend essentiellement de la valeur du 35 flux magnétique nécessaire à la création du couple envisagé ainsi que des moyens mis en oeuvre pour utilise ce flux dans l'entrefer actif. Un objet de l'invention consiste à améliorer la puissance pouvant être transformée par le coupleur en réalisant 'une structure particulière de la zone d'entrefer actif. 71 17980 2 2137313 Un autre objet de l'invention consiste à réaliser simultanément un dispositif d'accouplement présentant une capacité de dissipation thermique élevée du à une combinaison particulière de moyens utilisés pour la circulation d'un fluide de refroidissement. 5 Suivant une caractéristique de la présente invention, le rotor interne est réalisé de manière à produire deux entrefers actifs en regard, de part et d'autre, de l'anneau à haute perméabilité magnétique du rotor lisse. D'autres caractéristiques et des variantes de réalisation de la 10 présente invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent : - la figure 1, un exemple de réalisation d'un coupleur-varia-teur à courants de Foucault, conforme à l'invention. " 15 - la figure 2, une schéma de détail du coupleur selon la figure t . relatif à la zone d'entrefer actif des rotors. - la figure 3, un schéma simplifié d'une vue externe d'un coupleur variateur selon l'invention, destiné à montrer la circulation radiale de l'air d'environnement utilisé pour le refrodissement. 20 - la figure 4, un schéma partiel d'une variante de réalisation comportant trois entrefers actifs. Un coupleur-variateur à courants de Poucauld confprme à la présente invention est représenté, à titre d'exemple de réalisation, sur la figure 1 suivant une vue coaxiale avec demi-coupe. 25 Les éléments principaux du coupleur comprennent un stator 1, une bobine d'excitation 2 fixe montée dans le stator, un rotor denté 3 solidaire d'un arbre 4 et un rotor lisse 5 solidaire d'un arbre 6. Selon une réalisation préférée l'arbre 4 est l'arbre menant ou arbre de sortie accouplé à l'utilisation et l'arbre 6, l'arbre mené ou 30 arbre d1entrée accouplé à un moteur. Le rotor lisse siège dRéchauffements peut ainsi être entraîné à grande vitesse et refroidi plus commodément, cette disposition permettant notamment le montage de paies sur ce rotor pour fournir un ventilateur centrifuge. Il est entendu cependant que les rotors 3 et 5 peuvent être inversés et/ou 35 les fonctions des arbres '4 et 6. L'ensemble est maintenu par des flasques paliers d'extrémité 7 et 8 î ces flasques comportent des ouvertures radiales 26-27 permettant le prélèvement côté flasque 7 71 17980 3 2137313 et le rejet côté flasque 8 d'un fluide de refroidissement constitué par l'air d'environnement comme il est représenté sur la figure 3 montrait en vue extérieure un exemple de réalisation. La partie inférieure des flasques 7 et 8 est aménagée pour permettre la fixation 5 de l'équipement au sol ou sur tua support plan. L'arbre d*entrée 6 est creux et peut recevoir l'arbre d'un organe moteur : l'arbre du sortie 4 est plein et permet après accouplement l'entraînement d'un dispositif d'utilisation par l'intermédiaire du coupleur-variateur, la vitesse pouvant être ajustée par 10 réglage du courant d'excitation alimentant la bobine 2. Les éléments annexes, moteur d'entraînement, dispositif d'utilisation, circuits d'alimentation de la bobine d'excitation, ne sont pas figurés par souci de simplification. La configuration représentée n'est pas limitative, l'arbre d'entrée 6 peut tout aussi bien être plein ; de 15 même, la réalisation peut comporter un arbre de sortie 4 creux destiné à recevoir, par exemple, l'arbre d'entrée d'un dispositif réducteur dé vitesse interposé entre le coupleur-variateur et le dispositif ^utilisation. La bobine d'excitation 2 est montée solidaire du stator au moyen 20 d'un carter support 9 présentant une forme en U de révolution dans laquelle est logée la bobine 2. Le carter 9 est traversé par la partie centrale mince du rotor denté 3, les dimensions des pièces 9 ét 3 étant telles qu'un évidement annulaire 10 est formé entre les surfaces en regard de manière à permettre la circulation de l'air 25 de refroidissement. Le stator 1 et les rotors 3 et 5 sont réalisés en acier magnétique. Les flasques 7 et 8 et le carter 9 sont par contre réalisé avec un matériau à faible perméabilité magnétique mais présentant de bonnes caractéristiques de conductivité thermique ; ces éléments peuvent" être réalisés avantageusement en alliage d'alumi-30 nium , matériau'présentant en outre une faible densité. Le stator- 1 et le rotor denté 3 présentent chacun une partie aminciée axiale et unê partie de forte épaisseur radiale leur conférant une formé en L, leur disposition relative étant telle que la bobine d'excitation 2 est entourée par une configuration sensiblement 35 rectangulaire aménageant deux entrefers passifs repérés 11 et 12. La partie radisCLe du* stator 1 comporte des évidements, tel que 13, distribué circuiairement ét destinés au passage de l'air de refroidissement. BA0 op©**4. 71 17980 4 2137313 La partie radiale du rotor denté 3 comporte en extrémité une double denture dont une disposition possible est indiquée sur la figure de détail 2 représentant une coupe partielle correspondante transverse à l'axe de rotation. Une première couronne porte des dents 31 et 5 encoches 32 positionnées en regard de la surface interne de l'anneau 51 du rotor lisse 5, en ménageant un premier entrefer 14. Une seconde couronne dentée est interposée entre le stator 1 et la surface externe de l'anneau 51, elle comporte des dents 33 et des encoches 34 placées respectivement en regard des dents et encoches de la premiè-10 re couronne précitée. L'espace entre la seconde couronne et l'anneau 51 constitue un deuxième entrefer actif 15 et celui entre cette couronne ot le stator constitue un entrefer passif 12. La deuxième couronne est rendue mécaniquement solidaire du rotor 3 par des liaisons mécaniques radiales ajourées à l'endroit des encoches pour permettre 15 la circulation axiale de l'air de refroidissement. Suivant l'exemple représenté ces liaisons sont constituées par des bras ou plaquettes 16 soudées à chaque extrémité sur les pièces respectives, leur nombre étant déterminé ainsi que leur positionnement pour assurer la tenue mécanique nécessairé. Une autre forme de réalisation consiste 20 en un anneau m^ni d'ouvertures , l'anneau étant fixé par soudure, rivetage ou vissage. Suivant encore une autre variante, un ensemble monobloc du rotor avec ses couronnes est obtenu selon i^n procédé de fonderie suivi d'usinage précis des diamètres d'entrefer, les liaisons 16 peuvent être constituées en un matériau amagnétiqjc ou 25 bien, en métal magnétique sous réserve que la section présentée perpendiculairement aux lignes de forces du flux magnétique reste faible et que la fraction du flux ainsi dérivée dans ces liaisons ne dépasse pas quelques pour cent du flux traversant les entrefers actifs. La réalisation en acier magnétique présente des avantages relativement au 30 coût de l'équipement. Il doit être remarqué que les entrefers actifs 14 et 15 sont entièrement indépendants pour le fonctionnement et qu'en conséquence le positionnement d'une denture relativement à l'autre denture peut être quelconque. La disposition envisagée contribue avantageusement à 35 la réalisation des liaisons mécaniques 16 évidées en regard des encoches. De manière généralisée, la forme et .le nombre de dents de chaque denture ainsi que le positionnement relatif des dentures sont choisis indépendamment ; la détermination de ces critères peut être JA'-v; BADJDFUGlNAU 71 17980 5 2137313 faite notamment pour obtenir -une variation du. couple en fonction du glissement de forme désirée. Le rotor lisse 5 comporte l'anneau 51 disposé axialoment et une partie support radiale montée par 1'intermédiaire d'un moyeu sur 5 1*'arbre 6 d'entrée. La partie radiale comporte des évidements 17 répartis circulairement et destinés à la circulation de l'air de refroidissement. H est entendu que la partie radiale et le moyeu peut être exécutés en alliage léger ne présentant pas de caractéristiques particulières de perméabilité magnétique. Des ailettes 52 10 réparties circulairement sur la partie radiale, côté arbre d'entrée, sont destinées à produire une ventilation centrifuge en rotation. Le rotor lisse 5 est solidaire de l'arbre 6 d'entrée par clavetage en 18. Les arbres 4 et 6 sont maintenus par des paliers de roulement 15 19 et 20 disposés entre ces arbres et les flasques 7 et 8 d'extré-» mité. Une paire de roulements 21 et 22 entre le rotor denté 3 et tin prolongement de l'arbre 6 d'entrée assure le positionnement coaxial des deux rotors 3 et 5. L'arbre de sortie 4 est rendu solidaire du rotor interne 3 par vissage 23. 20 Le flux magnétique engendré par application d'un courant d'exci tation à la bobine torique circulaire 2 emprunte un chemin de lignes de force indiqué par la ligne moyenne en pointillé 24. Ce chemin traverse les deux entrefers passifs 11 et 12, entre stator 1 et rotor denté 3, et les deux entrefers actifs 14 et 15 entre les parties 25 lisses interne et externe de l'anneau 51 du rotor 5 et les dentures correspondantes 31-32 et 33-34 du rotor 3. Lorsque le rotor lisse 5 est entraîné en rotation par l'arbre 6 et- que la bobine'2 est alimentée, l'anneau 51 devient le siège d'une double couches de courants de Foucault induit sur les faces lisses 30 interne et externe en regard des dentures. Chaque couche ou nappe de courants induits contribue à la création d'un couple entraînant ■ en rotation le rotor denté 3 et consécutivement l'arbre 4 de sortie. \ Le couple résistant et, par suite, la vitesse de rotation en sortie est ajustable par réglage du courant d'excitation, le dispositif 35 constitue ainsi un coupleur-variateur. Selon la réalisation faite, le même flux magnétique est utilisé deux fois pour créer le couple. La densité de flux magnétique est dans là pratique limitée et une diminution de la section et de la masse du stator 1 ainsi que du rotor 3 peut être obtenue à puissance égale comparativement aux dispositifs r B&0 71 17980 6 2137313 connus comportant toi seul entrefer actif. Cette diminution peut atteindre aisément 40 à 50 Il en résulte une réalisation à forte compacité et de faible poids pour une puissance donnée. Un tel dispositif coupleur est le siège d'échauffements pouvant 5 être importants et nécessitant des moyens d'évacuation thermique de grande efficacité. La conception particulière des éléments constituants munis d'évidements et d'ouvertures assure une capacité de dissipation thermique élevée, la circulation de l'air des refroidissement est indiqué par la ligne pleine 25. la rotation du ventilateur 10 centrifuge constituée par les pales 52 du rotor lisse provoque l'aspiration de l'air frais extérieur par les ouvertures 25 du flasque 7 (fig. 3). le chemin 25 contourne ensuite la bobine 2 en traversant l'évidement 10 autour de la partie centrale du rotor interne 3 et parvient aux ouvertures ménagées en regard des encoches 32 et 34. 15 Une partie de l'air circule entre l'anneau 51 et la couronne dentée externe puis se trouve évacué par les ouvertures 27 pratiquées dans le flasque 8. Une autre fraction circule entre l'anneau 5l ot la couronne dentée interne, passe ensuite par les évidements 17 du rotor lisse 5 et se trouve également entraînée par les pales 52 vers les 20 ouvertures d'échappement 27 du flasque 8. les parties dégageant de . la chaleur, notamment le rotor lisse et la bobine, sçmt ainsi refroidies avec une grande efficacité, les prises d'entrée et de sortie d'air étant radiales, il est possible d'accoler le coupleur-variateur, côte à côte, côté entrée un organe moteur et éventuel-25 lement côté sortie avec, par exemple, un dispositif réducteur de vitesse. Conformément à l'invention, le nombre des entrefers actifs peut être supérieur à deux par multiplication des dentures et des anneaux lisses. Ces solutions présentent comparativement à la réa-30 lisation décrite, un accroissement de gain en puissance peu important à masse égale par suite de la diminution progressive des diamètres des entrefera, une construction plus complexe et un accroissement de la force magnéto-motrice à produire, ce qui nécessite, . t soit une augmentation du courant d'excitation, soit l'augmentation 35 du nombre de spires de la bobine d'excitation. En conséquence une réalisation à deux entrefers actifs paraît préférentielle à plusieurs égards. BAD ORIGINAL 71 17980 7 2137313 A titre d'exemple, le schéma partiel figure 4 représente une variante de réalisation à trois entrefers actifs.le rotor 3 comporte trois dentures, 41, 42 et 43 et le rotor 5 deux anneaux lisses 44 et 45. La double denture 41-42 forme avec un premier anneau lisse 44 5 deux entrefers actifs 46 et 47 comme décrit pour le montage de la figure 1. La denture externe complémentaire 43 forme avec la surface interne du second anneau lisse 45 le troisième entrefer actif 48. Un entrefer passif 49 est constitué dans cette réalisation entre la 10 stator 1 et la surface externe du second anneau lissa. Des évidements complémentaires sont aménagés dans la partie radiale du rotor lisse pour faciliter l'évacuation de l'air circulant à travers les encoches des dentures 42 et 43* L'adjonction d'une quatrième denture du rotor 3 permettait de constituer un quatrième entrefer actif en 15 regard de la surface externe de l'anneau lisse 45, et ainsi de suite, le nombre E d'entrefers actifs correspondant au nombre K de dentures K K + 1 et le nombre d'anneaux lisses étant égal à ^ ou —^— selon que K est pair ou impair. BAD ORIGINE 71 17980 8 2137313 REVENDICATIONS 1. Coupleur-variateur à courants de Foucault du type confortant une bobine d'excitation (2) fixe montée dans un stator (1) et deux rotors coaxiaux, un rotor denté (3) et un rotor lisse (5), disposés à l'intérieur du stator, caractérisé en ce que le rotor 5 denté comporte une pluralité E de dentures au moins égale à deux jr et le rotor lisse une pluralité d'anneaux lisses égale à pour K+1 E pair et à -rg— pour E impair, lesdites dentures étant disposées coaxialement et séparées chacune par un entrefer actif avec la surface correspondante, soit interne, soit externe, de l'anneau dont 10 ladite surface est associée à la denture considérée, en sorte de produire E entrefers actifs. 2. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon la revendicar-tion 1, caractérisé en ce que le rotor denté comporte deux dentures, xme denture interne (31-32) en extrémité d'une partie radiale dudit 15 rotor, ot une denture externe (33-34) portée par une couronne entourant l'unique anneau (51) du rotor lisse, des liaisons mécaniques radiales rendant solidaire ladite couronne du rotor denté en autorisant la libre rotation du rotor lisse, lesdites liaisons étant ajourées axialement pour permettre la circulation axiale d'un fluide 20 de refroidissement à travers les encoches des dentures. 3. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisé en ce que les liaisons mécaniques radiales sont constituées par des bras latéraux répartis cireulairement en nombre déterminé. 25 4. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisé en ce que les liaisons mécaniques sont constituées au moyen d'un disque ajouré. BAD ORIGINAL 71 17980 9 2137313 5. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon la revendication 2 ou les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ensemble groupant, le rotor denté portant la denture interne, la (ou les) couronne portant (les dentures intermédiaires et) la den-5 ture externe et les liaisons mécaniques, est réalisé sous forme monobloc par procédé de fonderie. 6. Coupleur-variateur à courants de Foucault suivant la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le rotor lisse (5) comporte un (ou plusieurs) anneau circulaire lisse (51) en 10 matériau à haute perméabilité magnétique, un moyeu prolongé par une partie radiale solidaire par son autre extrémité dudit (ou desdits) anneau, des parois (52) solidiaires de ladite partie radiale et réparties circulairement de manière à fournir en rotation une ventilation centrifuge, ladite partie radiale étant pourvue d'évidements . 15 axiaux (17, 50) répartis circulairement. 7. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon la revendication 6, caractérisé en ce que le stator (1) comporte une partie radiale formant en extrémité un entrefer passif (11) avec une partie axiale mince du rotor denté (3), ladite partie radiale étant 20 pourvue d1 évideçients axiaux (13) répartis circulairement. 8. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon la revendication 7, caractérisé en ce que un carter (9) supporte la bobine et la rend solidaire du stator (1), ledit carter ménageant un évi-dement annulaire avec la partie axiale mince dudit rotor (3). 25 9. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon les reven dications 6 et 7 et 8., caractérisé en ce que les moyens de dissipation thermique comportent complémentairement des ouvertures radiales (26, 27) menagées dans deux flasques paliers (7, 8) d'extrémité, l'air étant aspiré par les ouvertures d'un flasque et rejeté 30 par les ouvertures du flasque positionné près des ailettes de ventilation le cheminement interne du fluide de refroidissement étant axial, contournant la bobine et passant au travers des encoches des dentures. 10. Coupleur-variateur à courants de Foucault selon l'ensemble 35 des revendications 6,7, 8 et 9 » caractérisé en ce que les rotors denté et lisse ont un positionnement relatif inversé, le rotor denté comportant les ailettes de ventilation. BAD