Brevet FR2251895A1 — publié le 19750613

La présente invention concerne des appareils électromagnétiques tels que des électro-aimants de levage ou des séparateurs magnétiques dans des modes de réalisation bipolaires ou multipolaires. Les électro-aimants de levage servent à manier des objets ferromagnétiques et sont connus sous différentes formes d'exécution. Les séparateurs magnétiques du type utilisé pour traiter des matériaux magnétiques existent sous différentes formes d'exécution telles que par exemple les séparateurs à tambour, à poulie ou à bande. Ces appareils électromagnétiques sont constitués essentiellement par des bobines d'excitation et par un circuit magnétique ouvert. Les circuits magnétiques, dans leur configuration géométrique, offrent le plus souvent une forme d'U, d'E ou aussi de cylindre. On cherche en principe à donner à de tels appareils électromagnétiques une configuration garantissant une force d'attraction élevée. Cette force dépend, dans les circuits magnétiques ouverts, de la valeur de l'intensité du champ magnétique et de sa structure. Lorsque les circuits sont fermés par la charge ferromagnétique à porter, la force d'attraction est fonction de la composante normale By de l'induction magnétique à la surface des pâles. Il est possible a priori d'augmenter l'efficacité des appareils de ce genre par une augmentation générale de l'intensité du champ. Dans un circuit magnétique donné, on ne peut y parvenir qu en augmentant la force magnétomotrice des bobines d'excitation, ce qui entraene une plus grande absorption de puissance et de plus grands échauffements, d'où résulte une plus forte diminution de l'intensité du courant d'excitation et donc du potentiel électromagnétique. Les appareils connus souffrent des inconvénients provenant de ltexistence de limites techniques à l'élévation de l'in tensité du champ par saturation du matériau ferromagnétique dans le circuit magnétique. Un autre inconvénient réside dans le fait que les pales en substance ferromagnétique ne couvrent le plus souvent qu'une petite partie de la surface polaire active. Ceci est dt au fait que la majeure partie du volume total est nécessaire pour loger un enroulement d'excitation suffisamment grand. Il e résulte des forees d'attraction médiocres. C'est ainsi que, dans les appareils magnétiques connus de dimensions données à l'avance, ctesst-i-dire à volume total prédéterminé, des tendances opposées relatives à la structure et à la conception limitent par compromis les forces d'attraction. Les inconvénients des appareils électromagnétiques connus sont être décrits en regard des figures 1 et 5. La figure 1 montre schématiquement une paire de piles 1,2 associés à une culasse 3 et à une bobine d'excitation 4, d'un dispositif traditionnel, avec un tracé très simplifié du champ magnétique. L'espaee délimité par la surface polaire de l'appareil magnétique et par les deux plans R et Q qui contiennent les arases polaires et les faces latérales de deux pales voisins 1,2 constitue un espace critique de chacune des paires de polies. A l'intérieur de cet espace, les composantes normales de l'induction sont relativement faibles en chaque point. Dans cet espace, il existe en outre une zone N assez étendue, indiquée par des hachures doubles sur la figure 1, dans laquelle les composantes normales tendent vers zéro et s'annulent.C'est la zone la moins efficace de la paire de paroles. Les épanouissements polaires la indiqués en pointillés n'apportent pas une aide particulièrement efficace, car s'ils réduisent bien la distance entre les pales, ils chargent le circuit magnétique par un fliur de fuite supplémentaire qui n'atteint pas la surface utile de l'appareil et causent une plus grande perte de potentiel par forte saturation à l'endroit désigné par la ligne L1. La figure 5 représente en coupe un électro-aimant connu et sa charge )8. Un tracé très simplifié du champ intériear est dessiné sur la partie gauche de cette figure. On reeonnatt clairement que toutes les lignes du champ 'empruntent pas, en allant de la culasse 32 de l'aimant à la charge 38, le noyau central 33 ni le psle extérieur 34. Une partie de ces lignes traverse, avec des pertes magnétiques élevées, 1'enroulexent d'excitation non magnétique 35.La composante normale ~- de l'induction n'est donc relativement grande qu'aux surfaces 36 et 37 des pales, atteignant par exemple 10 ou 20 iG, et elle est petite en tout point de la surface annulaire comprise entre la surface 36 du noyau central et la surface 37 du pôle extérieur (où elle est par exemple inférieure à 1 k) et passe par la valeur zéro. à un endroit qui est désigné sur la figure 5 par la ligne en tirets L2. Les surfaces marginales de cet anneau circu- laire forment une exception, car l'influence des bords des pales s'y fait sentir. Pour des électro-aimants de levage circulaires bien conçus dans leurs dimensions, la proportion des surfaces ferromagnétiques à la surface polaire totale est rarement supérieure à 35%. La contribution de la surface de l'anneau, soit environ 65 de la surface polaire totale, dans la force d'attraction globale est très faible et vaut au maximum 10% environ. Si l'on veut créer un accroissement notable de la force d'attraction, il faut renforcer By en particulier dans cette surface annulaire. I1 est en outre évident d'après la figure 5 qu'une forte saturation se produit en différents endroits du circuit magnétique. Ces endroits critiques sont désignés par les lignes en tirets L2 et L3. Cette forte saturation élève les pertes magnétiques dans 1'électro-aimant et affaiblit l'induction sur l'ensemble de la surface polaire. Dans tous les modes de réalisation connus d'électro-aimants de levage, il est impossible de renforcer les endroits qui se trouvent en LD, eu égard à 1 'enroulement d'excitation. On connatt d'autre part des électro-aimants de levage qui comportent un certain nombre de plaques polaires débordantes, sans qu'il soit possible ainsi d'accrottre de façon importante la force d'attraction de llélectro-aimant. On a représenté dans la partie droite de la figure 5 une telle plaque polaire 33a avec le tracé de champ associé. La majeure partie des lignes de champ qui traversent cette plaque doit franchir des intervalles non magnétiquestes valais de By s'abaissent très vite dans la surface de cette partie débordante. L'invention a pour but de créer des appareils électromagnétiques dans lesquels les forces d'attraction soient consi dérablement accrues, et notamment des électro-aimants séparateurs ou des électro-aimants de levage qui offrent une induction élevée sur la surface située entre les piles. L'invention est caractérisée tout d'abord par le fait qu'au moins une bobine d'excitation principale est logée entre un pale et un système polaire ou entre deux systèmes polaires ferromagnétiques constitués par une pièce polaire centrale et par au noies une pièce polaire auxiliaire raccordée à la pièce polaire centrale au moyen d'une plaque polaire commune, de façon à provoquer dans les surfaces polaires de ces systèmes des polarités contraires à différences de potentiel magnétique très élevées, et qu'une ou plusieurs autres bobines sont logées à l'intérieur de ces systèmes polaires et constituent des bobines d'excitation auxiliaires provoquant la maure polarité magnétique que 3a bobine principale et réglant la répartition du potentiel magnétique dans la surface polaire de telle façon que le rapport nombre d'ampèretours/distance polaire de la bobine principale est égale ou supérieure au rapport nombre d'ampèretours/distance polaire de chaque bobine auxiliaire. Selon l'invention, on réalise un appareil électromagnétique qui offre une très bonne proportion de surfaces ferromagnétiques par rapport à la surface polaire totale, sans qutil soit nécessaire d'augmenter le volume de l'appareil pour obtenir la force magnétomotrice prévue aux bobines d'excitation. D'autres part, on diminue l'écartement polaire dans une mesure telle que la zone la moins efficace est considérablement réduite sans qu'il en résulte de courts-circuits magnétiques. Les avantages obtenus grSce l'invention résident avant tout dans le fait que, à cause de cette répartition des forces magnétomotrices, ctest-à-dire de la répartition du potentiel magnétique, la plus grande partie des ampèretours des bobines d'excitation est logée entre les systèmes à polarité contraire et que de plus l'augmentation du potentiel magnétique pour chaque centimètre de la distance polaire entre les systèmes contraires est plus élevée que l'augmentation de potentiel pour chaque centimètre de largeur des plaques polaires.Cela est réalisable de façon relativement simple. I1 suffit de choisir des oonduo- teurs électriques de sections différentes ou d'utiliser des bobines principales et auxiliaires comportant des conducteurs identiques, mais offrant des hauteurs ou des épaisseurs diffé- rentes. On peut réaliser selon l'invention un appareil magnétique à grandes surfaces polaires ferromagnétiques, avec de grandes différences de potentiel magnétique entre les systèmes polaires contraires et, d'autre part, des différences de potentiel relativement petites entre les pièces polaires centrales et leurs pièces polaires auxiliaires. Les valeurs de By ne s' abais- sent que lentement Jusqu'aux bords des paies. C'est pourquoi un tel appareil électromagnétique se signale par des forces d'attraction plus grandes que celles d'un appareil connu. Selon l'invention il est possible de prévoir des entrefers entre la plaque polaire commune et les extrémités des pièces polaires auxiliaires Des entrefers de ce genre influencent la répartition du potentiel magnétique dans les surfaces polaires. Ces entrefers peuvent betre remplis à l'aide d'une matière non magnétique. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut etre mise en pratique. La figure 2 représente en coupe verticale un aimant séparateur selon l'invention å circuit magnétique en forme d'E. Un tracé très simplifié du champ extérieur est dessiné sur la partie droite de cette figure. La figure 2a est un graphique qui permet d'illustrer l'effet auquel on parvient gracie à l'invention dans le dispositif de la figure 2. La figure 3 représente en coupe verticale un aimant de séparation selon l'invention à circuit magnétique en forme d'U. La figure 3a est un graphique qui permet d'illustrer l'effet auquel on parvient green à-llinvention dans le dispositif de la figure 3. La figure 4 représente la structure de principe d'un séparateur magnétique conforme à l'invention, sous forme d'un cylindre de triage. La figure 6 représente en coupe verticale un électroaimant de levage conforme à l'invention et sa charge, le tracé des lignes de champ étant indiqué sur la partie gauche de la figure. La figure 6a est un graphique qui permet d'illustrer l'effet auquel on parvient grâceà l'invention dans le dispositif de la figure 6. Le circuit magnétique de 11 électro-aimant séparateur tripolaire représenté sur la figure 2 comporte les pièces suivantes en acier coulé ou en acier soudé : un parole ou noyau central 6 avec pièces polaires auxiliaires ba et 6b, Ges pales extérieurs 7 et 8 avec pièces polaires auxiliaires- 7a et 8a et une culasse d'aimant 5.Une bobine d'excitation principale 12 est disposée de façon concentrique autour du système polaire central 6a,6,6b, et sépare ce système polaire des systèmes extérieurs 8, 8a et 7,7a. ,es bobines d'excitation auxiliaires 11 et 13, disposées de façon concentrique à l'intérieur et à l'extérieur de la bobine principale 12,sont logées à l'intérieur des systèmes polaires 6a,6,6b, 8,8a, 7,7a.Une plaque polaire centrale 9 recouvre aussi bien les pièces polaires 6a,6 et 6b que la bobine auxiliaire 11. Des plaques polaires extérieures lOa et lOb recouvrent aussi bien les pièces polaires respectives 7,7a et 8,8a que la bobine auxiliaire 13. Les surfaces limitant les pièces polaires 6,6a, 7a et 7 sont respectivement désignés dans l'ordre par les lettres A, B, C, D, E, F et G. On a porté sur la figure 2a le tracé de la répartition du potentiel magnétique ou du nombre d'ampèretours créé par les bobines d'excitation 11, 12 et 13 le long de la demi-section droite du séparateur de la figure 2. Le tracé en tirets montre la répartition du potentiel pour bobines avec conducteurs de *8me section, le tracé en trait plein montre la répartition du potentiel lors de l'usage de bobines avec rapport nombre d'apèretounK distance polaire différents. On voit que, dans la région DC, le potentiel magnétique P crott de façon linéaire sur la distance polaire b2, ce potentiel restant constant dans les régions BC et DE, augmente encore de façon linéaire dans l'intervalle 3A = bl et décrott de mSme façon dans l'intervalle EF. La différence de potentiel totale entre les systèmes polaires contraires, recouverts respectivement par les plaques 9, lOa et lOb, est égale à P2 + P3. La dernière augmentation P1 ne peut oestre obtenue que par la mise en place de la bobine auxiliaire 11.Le graphique montre que la diff- rence du potentiel magnétique P1 dans la plaque polaire centrale 9 est plus petite que la différence de potentiel P'1. Cette répartition plus avantageuse est réalisée lorsque Pl/bl P11 et-P'2. Toutefois, chacune des répartitions de potentiel électronagnétique indiquée sur la figure 2a entre dans le cadre de l'invention. Le graphique montre que le séparateur magnétique selon l'invention a des caractéristiques magnétiques très avantageuses. L'intensité de champ et l'induction sont proportionnelles au potentiel magnétique. On voit que les valeurs de la composante normale By de l'induction ne s'abaissent que lentement de A à C et de D à G. De cette façon, les surfaces polaires ferromagnétiques agrandies,ABC et DEFG, sont extrmement efficaces, du fait que la différence de potentiel entre les plans polaires C et D est très importante. Le tracé extrmement implifié du champ extérieur porté sur la figure 2 montre que la zone la moins efficace Nl est très petite. I1 est possible, à 11aide d'entrefers 14 et 15, d'influencer avantageusement la répartition du potentiel magnétique dans les régions AC et GE. Dans le séparateur magnétique selon l'invention que représente la figure 3, le circuit magnétique est en forme d2U et comporte une culasse 16, des pôles extérieurs 17 et 17a, des pièces polaires auxiliaires 18 et 18a et des plaques polaires communes 19 et l9a. La bobine d'excitation principale 20 est logée entre les systèmes polaires 17, 18, 19 et 17a, 18a, l9a. Les bobines d'excitation auxiliaires 21 et 21a sont logées à l'intérieur des systèmes polaires contraires 17, 18, 19 et 17a, 18a, 19a. Des entrefers 22 sont ménagés entre les plaques polaires communes 19 et 19a et les extrémités des pièces polaires auxiliaires la et 18a. On a porté sur la figure 3a, dans laquelle les points A, B, C et D correspondent aux plans A, B, C et D limitant successivement les pièces polaires 18a et 17a de la figure 9, le tracé de la répartition du potentiel magnétique provenant des bobines d'excitation 20 et 21a. Le tracé en tirets montre la répartition du potentiel pour bobines avec conducteurs identiques, le tracé plein montre la répartition du potentiel lors de l'usage de bobines avec des rapports nombre d'ampèretours/ distance polaire différents. On voit que, dans la région située à gauche de A, le potentiel magnétique P croit rapidement et de façon linéaire sur la distance polaire principale b2, ce potentiel restant constant dans la région AB, augmente encore de façon linéaire dans l'in- tervaîle BC = bl, pour rester constant en CD. Les accroissements successifs de potentiel sont P2 et PI. On reconnatt sur ce graphique que les avantages qu'coffre l'invention sont les mêmes que dans le cas du séparateur de la figure 2. La répartition la plus avantageuse est réalisée lorsque P2/b2 est supérieur à Pl/bl au lieu de P2/b2 = Pl/bl, ce dernier cas correspondant à la courbe tracée en tirets Il n'est pas nécessaire de répéter les conclusions tirées dans le cas du séparateur de la figure 2. Le tracé S porté sur la figure 3a antre l'influence de ltentrefer 22 sur la répartition du potentiel magnétique dans la région AC. En l'absence de cet entrefer, la pièce polaire auxiliaire 18a impose à la région AB sa valeur de potentiel magnétique.L'entrefer 22 permet à la plaque polaire 19a de garder plus longtemps une valeur proche de la valeur P1 + P2 de la région CD. On voit que les valeurs de By ne s'abaissent que plus lentement de C à A. La figure 4 représente le structure de principe d'un séparateur magnétique selon l'invention sous forme d'un cylindre de triage. Le circuit magnétique comprend plus précisément une culasse avec pôle central 23 et des piles extérieurs 26. Le pôle ventral 23 est renforcé par des poles auxiliaires 24 et 25. Un cylindre polaire 27 complète le système polaire central 23,24, 25,27. On peut prévoir un entrefer 31 situé entre la pièce polaire 27 et l'extrémité du parole auxiliaire 25. Les bobines principales 30 sont respectivement situées entre le système polaire central et chacun des pâles extérieurs. Les bobines auxiliaires 28 et 29 sont logées à l'intérieur de l'ensemble du système central. Le circuit magnétique de l'electro-aimant circulaire de levage représenté sur la figure 6 comporte les pièces suivantes en acier coulé : un pôle ou noyau central +0, une pince polaire auxiliaire 4osa, une culasse d'aimant 39 et un pSle extérieur 41. Une plaque polaire centrale 42 complète le système polaire central 40,40a,42 et peut être munie d'entrefers 49 ou 50. Une bobine d'excitation principale 44, en fil d'aluminium ou de cuivre, est disposée de façon concentrique autour du système polaire central. Une bobine d'excitation auxiliaire 43 est logée concentriquement au noyau 40 à l'intérieur de la pièce polaire auxiliaire 40a.La plaque polaire centrale 42 recouvre aussi bien le noyau et le cylindre polaire 4oa que la bobine auxiliaire selon l'invention. L'électro-aimant est court-circuité par la charge 45. Le tracé très simplifié du champ intérieur qui est représenté sur la partie gauche de la figure permet de voir que la pièce polaire auxiliaire 40a agit comme renforcement du pôle magnétique 40. La bobine auxiliaire 43 conforme à l'invention produit en combinaison avec la bobine principale 44 et avec la plaque polaire 42 de grandes inductions sur la surface de travail 46 qui s'abaissent lentement sur la surface 47 des bords de la plaque. La grande surface polaire centrale agit de telle façon que les valeurs de By sont accrues dans la surface polaire extérieure 48. Les surfaces 0, A, B, C, D représentées sur la figure 6, qui limitent les pièces polaires, sont reportées sur le graphique 6a selon les points 0, A, B, C, D. On a porté sur la figure 6a le tracé de la répartition du potentiel magnétique provenant desbobines d'excitation 43 et 4t, dont la valeur totale est égale à P1 + P2. Le potentiel de la bobine principale se rapporte à la distance polaire b2 = BC et celui de la bobine auxiliaire à la distance polaire bl=OA. Lors de l'usage de bobines caractérisées par Pl/bl = P2/b2 (At/cm), le potentiel magnétique croft linéairement entre G et B, et atteint la grandeur P'2. Cette répartition est indiquée par le tracé en tirets. Le potentiel reste constant dans la région BA et augmente encore de façon linéaire dans l'intervalle AO pour atteindre la grandeur constante P1 + P2 dans la région située à gauche de 0.Lors de l'utilisation de bobines caractérisées par P2/b2 supérieur à Pl/bl, le potentiel magnétique croit plus rapidement entre C et B, et atteint la valeur P2 > P'2. Cette répartition est indiquée par le tracé en trait plein. Le potentiel reste constant dans la région FA et augmente encore dans l'intervalle AO. Dans la région située à gauche de O, les deux tracés se superposent. On reconnut sur le graphique que la répartition la plus avantageuse est obtenue avec P2/b2 > Pl/bl. L'amélioration de la répartition du potentiel magnétique se manifeste sur la figure 6a par la surface hachurée. L'augmentation du potentiel le long du tracé CBAO provoque une augmentation des valeurs correspondantes de By La dernière augmentation P1 ne peut oestre obtenue que par la mise en place de la bobine auxiliaire 43. Pour la réaliser avantageusement, il n'est pas nécessaire d'utiliser des conducteurs de sections différentes pour les bobines 43 et 44; il est également possible selon l'invention de réduire la hauteur de la bobine auxiliaire 43, tout en utilisant le laême conducteur électrique. Dans ce cas particulier de réalisation, l'épaisseur de la culasse magnétique 39 peut être renforcée dans la région OA. REVENDICATIONS 1.- Appareil électromagnétique utilisable en particulier comme électro-aimant de levage ou séparateur magnétique et comportant un circuit magnétique de structure quelconque, par exepple en forme d'U, d'E ou de cylindre, caractérisé par le fait qu'il présente au moins une bobine d'excitation principale logée entre un poule et un système polaire ou entre deux systèmes polaires ferromagnétiques constitués par une pièce polaire centrale et par au moins une pièce polaire auxiliaire raccordée à la pièce polaire centrale au moyen d'une plaque polaire commune, de façon à provoquer dans les surfaces polaires de ces systèmes des polarités contraires à différences de potentiel magnétique très élevées, et qu'il présente une ou plusieurs autres bobines logées à l'in térieur de ces systèmes polaires et constituant des bobines d'excitation auxiliaires qui provoquent la mme polarité magné- tique que la bobine principale et qui règlent la répartition du potentiel magnétique dans la surface polaire de l'appareil de telle façon que le rapport nombre d'ampèretours/distance polaire de la bobine principale est égal ou supérieur au rapport nombre d'ampèretoursfdistance polaire de chaque bobine auxiliaire. 2.- Appareil électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les bobines d'excitation principales et auxiliaires sont réalisées à l'aide de conducteurs électriques de sections différentes. 3. - Appareil électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les bobines d'excitation principales et auxiliaires sont réalisées à l'aide de conducteurs de 8me section, leurs hauteurs étant différentes. 4.- Appareil électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les plaques polaires sont pourvues d'entrefers qui peuvent être replis par une matière non magnétique.