Brevet FR2574228A1 — publié le 19860606

L'invention est relative aux appareils comprenant deux pièces coaxiales montées pivotantes l'une sur l'autre et destinés à accoupler au moins partiellement entre elles ces deux pièces par création de courants de Foucault dans un élément magnétique annulaire induit continu solidaire de l'une de ces pièces, à partir du champ magnétique engendré par un inducteur électromagnétique solidaire de l'autre pièce et comportant une couronne discontinue de pôles élec- triques à polarités alternées, cette couronne discontinue n'étant séparée de l'élément annulaire continu que par un entrefer annulaire de faible épaisseur. Elle vise plus particulièrement, parmi ces appareils, ceux dans lesquels les pôles formant la couronne discontinue sont constitués par des noyaux cylindriques ou prismatiques en matériau magnétique entourés par des enroulements de fil électrique, noyaux se terminant, au niveau de l'entrefer, par des extrémités épanouies, lesquelles sont généralement constituées par des plaquettes rapportées sur lesdits noyaux, lesdites extrémités étant désignées ci-après par l'expression "épanouissements polaires". Elle vise plus particulièrement encore, mais non ex- clusivement, parmi ces appareils, les ralentisseurs élec- triques, notamment pour véhicules, dans lesquels l'induit, constituant rotor, est solidaire d'un arbre à ralentir, l'inducteur étant solidaire du chassis qui supporte le ralentisseur et l'arbre. Dans ce qui suit, on appellera: -"direction circonférentielle",la direction d'un cer- cle centré sur l'axe de l'appareil, le mot "circonférentiel- lement" signifiant "selon une direction circonférentielle", -"section circonférentielle" d'un épanouissement po- laire, la section de cet épanouissement par la surface de révolution, généralement cylindrique, admettant pour axe celui de l'appareil, passant par le centre de la surface terminale dudit épanouissement, et normale à cette surface, -"corne d'entrée" et "corne de sortie" d'un épanouis- sement polaire, respectivement le bord "amont" ou "arrière" et le bord "aval" ou "avant" de cet épanouissement considéré circonférentiellement par rapport au sens de défilement relatif de l'élément annulaire induit continu, en ce sens qu'en défilant devant chaque épanouissement, chaque point de cet élément se déplace de la corne d'entrée à la corne de sortie dudit épanouissement. Dans les modes de réalisation connus des appareils du genre ci-dessus, la section circonférentielle de chaque épanouissement polaire présente un contour symétrique par rapport au plan passant par l'axe de l'appareil et par l'axe du noyau correspondant. L'invention a pour but, surtout, d'augmenter les cou- ples dus à la création des courants de Foucault dans les appareils considérés pour un poids et un encombrement don- nés de ces appareils. A cet effet, les appareils en question selon l'inven- tion sont caractérisés en ce que la section circonférentiel- le de chaque épanouissement polaire est dissymétrique par rapport au plan passant par l'axe de l'appareil et par l'axe du noyau correspondant en ce sens que sa corne d'entrée s'étend plus loin de ce plan que sa corne de sortie. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivan- tes: - l'épaisseur de chaque épanouissement polaire comptée perpendiculairement à sa surface terminale est constante sur toute l'étendue de celui-ci, - l'épaisseur de chaque épanouissement polaire comp- tée perpendiculairement à sa surface terminale est relati- vement petite en ce sens que le rapport entre cette épaisseur et le diamètre extérieur de l'induit annulaire est compris entre 1/50 et 1/30, la surface définissant la tranche de la corne de sortie de chaque épanouissement polaire est perpendiculaire à la surface terminale de cet épanouissement et tangente à la surface latérale du noyau correspondant, la corne d'entrée de chaqcue épanouissement polaire s'étend circonférentiellement au moins jusqu'à la surface latérale de l'enroulement qui entoure l'épanouissement voi- sin, - dans un appareil du genre en question pour lequel l'induit annulaire comprend au moins un disque rotorique, chaque épanouissement polaire présente selon une vue en bout considérée parallèlement à l'axe de ce disque la forme générale d'un trapèze isocèle à angles arrondis dont le centre est décalé circonférentiellement, par rapport à l'axe du noyau correspondant, dans le sens contraire à celui de la rotation du disque, dans l'appareil selon l'alinéa précédent, la section droite de chaque noyau présente la forme générale d'un tra- pèze isocèle à angles arrondis. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicite- ment question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire des modes de réali- sation de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ces dessins, montre en vue en bout partielle le stator inducteur d'un ralentisseur à courants de Foucault pour véhicule établi selon l'invention. La figure 2 montre en coupe "circonférentielle" par- tielle selon II-II, figure 1, agrandie et développée, l'en- semble de ce stator et d'une partie du rotor induit dudit ralentisseur. La figure 3 montre à titre comparatif, semblablement à la figure 2, un ensemble stator-rotor connu. La figure 4 est un graphique permettant de faire res- sortir l'intérêt de l'invention. La figure 5 montre schématiquement en bout deux pôles d'un ralentisseur à courants de Foucault établi selon une variante de l'invention. D'une façon connue en soi, le stator du ralentisseur comprend dans chaque cas une couronne d'électro-aimants iden- tiques 1 en nombre pair (huit dans le cas présent), répartis régulièrement autour de l'axe X du ralentisseur et composés chacun d'un noyau 2 cylindrique ou prismatique d'axe Y paral- lèle à X et d'un enroulement 3 de fil électrique entourant ce noyau. Chaque noyau 2 est monté sur un support commun 4 qui présente par exemple la forme d'au moins une cuvette et qui est lui-même monté sur le chassis du véhicule ou encore sur le carter du pont ou de la boite de ce véhicule.. Chaque enroulement 3 est maintenu sur son noyau 2 par vissage d'une plaquette débordante 5 sur l'extrémité de ce noyau, notamment à l'aide d'une vis unique 6, le calage an- gulaire de cette plaquette autour de la vis étant assuré par coopération d'un pion excentré 7 solidaire de la plaquette avec un alvéole complémentaire du noyau. Les faces extérieures des plaquettes 5 s'étendent dans un même plan perpendiculaire à l'axe X et constituent ainsi une couronne plane discontinue. Les enroulements sont connectés électriquement à l'aide de moyens de connexion et de commande appropriés à une source de courant continu et leurs branchements à cette source sont assurés de façon telle que les plaquettes 5 successives de la couronne qui vient d'être décrite définis- sent des pôles électriques de polarités alternativement po- sitiveset négatives: les plaquettes 5 constituent des "épanouissements" pour ces pôles et sont souvent appelés "épanouissements polaires". D'une façon également connue en soi, le rotor du ralen- tisseur comprend au moins un disque continu 8 (figures 2 et 3) solidarisé angulairement avec une portion 9 (figure 1) de l'arbre de transmission du véhicule de façon à défiler en regard de la couronne statorique, ce disque et cette couron- ne étant séparés l'un de l'autre par un intervalle annulaire e (figures 2 et 3). L'épaisseur de cet intervalle e ou "entrefer" est fai- ble et par exemple de l'ordre de 1 à 2 mm. La flèche F sur les figures indique le sens de dépla- cement du disque rotorique 8 par rapport à la couronne sta- torique en regard. Les noyaux 2, les plaquettes 5 et le disque 8 sont tous constitués en un matériau ferromagnétique de façon à former, pour le flux magnétique engendré par l'excitation électrique des enroulements 3, des circuits magnétiques qui se referment en traversant chacun deux fois l'entrefer e. C'est ce flux qui induit dans le disque 8, lors des rotations de ce disque, des courants de Foucault qui s'oppo- sent à ces rotations, ce qui a pour effet de freiner l'arbre 9 du véhicule. Dans les modes de réalisation connus des ralentisseurs électriques du genre décrit ci-dessus, la "section circonfé- rentielle" au sens défini ci-dessus de chaque plaquette ou épanouissement polaire 5 est symétrique par rapport au plan passant par l'axe X du ralentisseur et par l'axe Y du noyau magnétique 2 correspondant. En d'autres termes, les cornes d'entrée E et de sortie S de chaque épanouissement présentent des sections circonfé- rentielles identiques entre elles, comme bien visible sur la figure 3. Dans ce cas, lors d'une excitation du ralentisseur, les répartitions du flux magnétique dans ces deux cornes E et S sont identiques lorsque le ralentisseur est à l'arrêt, mais ce n'est plus le cas lorsque l'induit 8 se met à tourner. En effet, du fait de la réaction d'induit, le flux magnétique est alors plus concentré dans la corne de sortie S que dans la corne d'entrée E. C'est ce qui est visible sur la figure 3, o les lignes de champ L représentant le flux magnétique sont d'autant plus rapprochées les unes des autres que l'induction magnétique locale est plus élevée. Cette concentration se traduit par une saturation plus rapide de la corne de sortie S que de la corne d'entrée E, lorsque l'on fait croître progressivement l'alimentation électrique de l'enroulement 3 correspondant à l'épanouisse- ment 5 considéré. Or on sait que, pour un accroissement donné des ampères- tours consommés dans un appareil électromagnétique, l'amé- lioration des performances est beaucoup plus faible à partir de l'instant o le circuit magnétique est saturé. On a donc intérêt à retarder l'instant o, toutes cho- ses égales par ailleurs, la saturation atteint un élément de ce circuit magnétique. La demanderesse a constaté qu'un tel résultat était atteint automatiquement pour la corne de sortie S en déca- lant circonférentiellement l'épanouissement polaire 5 "en arrière", c'està-dire dans le sens contraire à celui F de la rotation du disque 8. Dans ce cas en effet le champ magnétique est réparti d'une manière plus homogène dans la totalité du volume de chaque épanouissement polaire, la corne de sortie étant en quelque sorte déchargée de son excédent d'induction au pro- fit de la corne d'entrée, qui était auparavant indigente à cet égard. C'est ce qui est symbolisé par la distribution des lignes de champ L sur la figure 2, laquelle a été établie en adoptant exactement les mêmes hypothèses de fonctionne- ment que pour la figure 3, la seule différence apportée à la construction de la figure 1 résidant dans le décalage circonférentiel en arrière des épanouissements polaires. En particulier toutes les dimensions de ces épanouis- sements ont été intégralement conservées. La valeur angulaire a du décalage circonférentiel ci- dessus est de préférence comprise entre A/25 et A/7 si l'on désigne par A le pas polaire angulaire, c'est-à-dire l'angle compté autour de l'axe X de l'appareil qui sépare les plans passant par cet axe X et par respectivement les axes Y de deux pôles successifs: dans le cas illustré o le nombre de pôles est égal à huit, cet angle a est de préférence compris entre 2 et 7 . Si l'on appelle en outre arc polaire l'angle compté autour de l'axe X dans lequel est inscrit un épanouissement polaire, le rapport entre cet arc polaire et le pas polaire angulaire défini ci-dessus est de préférence compris entre 0,65 et 0,90: ce rapport est de l'ordre de 0,80 dans le mode de réalisation illustré. Dans ce mode de réalisation en outre, - l'épaisseur de chaque épanouissement 5, comptée se- lon une direction axiale, demeure constante sur toute son étendue, chaque plaquette constitutive d'un épanouissement 5 présente la forme générale d'un trapèze isocèle à angles arrondis, - la surface qui définit la tranche Ts,- de la corne de sortie S de chaque épanouissement, qui est située circon- férentiellement en regard de la tranche TE de la corne d'en- trée de l'épanouissement voisin, est tangente à la surface latérale N du noyau 2 terminé par l'épanouissement considéré, tout au moins au niveau de la surface cylindrique de révolu- tion ayant pour axe l'axe X du ralentisseur et contenant les axes Y des noyaux 2, - la surface qui définit la tranche TE de la corne d'entrée de chaque épanouissement est tangente à la surface latérale B de l'enroulement ou bobine 3 entourant l'épanouis- sement voisin, - les tranches planes mutuellement en regard Ts et TE des épanouissements polaires successifs forment entre elles deux à deux un petit angle, chacune d'elles étant délimitée par un plan passant par l'axe X du ralentisseur; mais ces tranches peuvent également être parallèles deux à deux. L'expérience montre que, d'une façon tout à fait sur- prenante, dans les ralentisseurs dont les épanouissements polaires sont"décalés" circonférentiellement en arrière de la manière indiquée cidessus, les couples de ralentissement engendrés sont très nettement supérieurs à ceux engendrés par des ralentisseurs identiques-mais dont les épanouisse- ments polaires sont centrés sur les noyaux correspondants. Cette amélioration est rendue sensible par le graphi- que illustré sur la figure 4, sur lequel on a porté: - en abscisses, les vitesses de rotation V du rotor du ralentisseur en tours/minute, - et en ordonnées, les couples C engendrés par ce ra- lentisseur sur l'arbre en mètres.Newtons. La courbe 10 de cette figure 4 correspond à un ralen- tisseur à épanouissements classiques, c'est-à-dire montés de façon centrée sur les noyaux correspondants, conformément à la figure 3. La courbe 11 correspond au même ralentisseur dont les épanouissements polaires sont décalés circonférentiellement en arrière par rapport aux noyaux correspondants, c'est-à- dire en sens inverse du sens de rotation (F) du disque, con- formément aux figures 1 et 2. On constate que l'accroissement du couple de ralentis- sement obtenu, toutes choses égales par ailleurs, par le décalage "en arrière" des épanouissements polaires est consi- rable puisqu'il peut atteindre plus de 15% à froid pour certaines vitesses de rotation du rotor, en particulier pour les vitesses relativement faibles, de l'ordre de 500 à 1000 t/mn: pour les vitesses plus élevées, les circuits magnétiques ne sont habituellement pas saturés, de sorte que le gain apporté par l'invention est moins manifeste. Dans chacun des cas évoqués ci-dessus en référence aux figures 1 à 3, chaque noyau magnétique 2 était délimité par une surface cylindrique de révolution d'axe Y. Dans ces conditions la modification de répartition du champ magnétique symbolisé par les lignes L sur les figures 2 et 3 ne concerne en théorie que la portion très mince, du volume de chaque épanouissement polaire, qui s'étend selon la surface cylindrique correspondant aux sections desdites figures. Pour accroître le volume de chaque épanouissement polaire pour lequel la répartition du champ magnétique est améliorée de la manière ci-dessus décrite par le simple dé- calage "en arrière" des épanouissements polaires, on peut donner à chaque noyau magnétique la forme d'un prisme ou cylindre dont la section droite est semblable à celle de l'épanouissement qui la termine ou tout au moins se rappro- che de cette dernière. Dans le cas de la figure 5, cette section droite de chaque noyau est délimitée par un trapèze à angles arrondis 21 ressemblant à la forme générale des épanouissements 5 évoquée ci-dessus. Dans un tel cas l'enroulement électrique présente la forme générale d'un manchon prismatique 31 à section trapézoidale d'épaisseur sensiblement constante. L'expérience montre qu'avec un ralentisseur ainsi per- fectionné, le couple de ralentissement est encore amélioré, ainsi que rendu sensible par la courbe 12 sur la figure 4: dans ce cas, l'accroissement de couple, par rapport aux ra- lentisseurs connus précédemment considérés (courbe 10) at- teint et méme dépasse 20% pour certaines valeurs de la vi- tesse. Comme visible sur la figure 2, le décalage en arrière selon l'invention se traduit par la suppression d'une portion très importante de la corne de sortie S très vite saturée des constructions antérieurement connues: comme la corne d'entrée E est développée en correspondance au point de subsister presque exclusivement et que cette corne d'entrée est moins sensible à la saturation magnétique, il est possi- ble de l'amincir, ainsi que la totalité de l'épanouissement polaire, par rapport aux constructions connues, pour des performances données, ce qui réduit le poids et l'encombrement. C'est ainsi que le rapport entre l'épaisseur de l'épa- nouissement et le diamètre extérieur de l'induit annulaire du ralentisseur, rapport qui est généralement supérieur à 1/30, peut descendre au-dessous de 1/35 et même être aussi petit que 1/50. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réali- sation adopté, on dispose d'un moyen extrêmement simple et efficace pour accroître le couple massique d'un ralentis- seur électrique puisqu'il suffit de décaler légèrement "en arrière" ses épanouissements polaires. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisages; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment: - celles o les épanouissements polaires formeraient un seul bloc avec les noyaux en matériau magnétique qu'ils prolongent, étant par exemple venus de moulage avec ces noyaux au lieu d'être constitués par des plaquettes indé- pendantes rapportées sur lesdits noyaux, - celles o le ralentisseur à courants de Foucault considéré n'équiperait pas un véhicule, mais uneautre machine comportant un arbre rotatif à ralentir, tel qu'un engin de levage ou de sondage, - celles o l'appareil à courants de Foucault consi- déré ne serait pas un ralentisseur, mais un dispositif d'accouplement destiné à accoupler angulairement entre elles ou à désaccoupler à volonté deux pièces coaxiales montées rotatives l'une par rapport à l'autre. iREVENDICATIONS 1. Appareil à courants de Foucault comprenant deux pièces coaxiales montées pivotantes l'une sur l'autre et destiné à accoupler au moins partiellement entre elles ces deux pièces par création de courants de Foucault dans un élément magnétique annulaire induit continu solidaire de l'une de ces pièces, à partir du champ magnétique engendré par un inducteur électromagnétique solidaire de l'autre pièce et comportant une couronne discontinue de pôles à polarités alternées, cette couronne discontinue n'étant sé- parée de l'élément annulaire continu que par un entrefer annulaire de faible épaisseur, les pales qui forment la couronne discontinue étant constitués par des noyaux magné- tiques entourés par des enroulements électriques, noyaux se terminant, au niveau de l'entrefer, par des "épanouissements polaires", caractérisé en ce que la section circonférentiel- le de chaque épanouissement polaire (5) est dissymétrique par rapport au plan passant par l'axe (X) de l'appareil et par l'axe (Y) du noyau correspondant (2) en ce sens que sa corne d'entrée (E) s'étend plus loin de ce plan que sa cor- ne de sortie (S). 2. Appareil à courants de Foucault selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque épa- nouissement polaire (5) comptée perpendiculairement à sa surface terminale est constante sur toute l'étendue de celui-ci. 3. Appareil à courants de Foucault selon l'une quel- conque des revendications i et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque épanouissement polaire (5) comptée perpendiculairement à sa surface terminale est petite en ce sens que le rapport entre cette épaisseur et le diamètre extérieur de l'induit annulaire (8) est compris entre 1/50 et 1/30. 4. Appareil à courants de Foucault selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la surface définissant la tranche (TS) de la corne de sortie (S) de chaque épanouissement polaire (5) est perpen- diculaire à la surface terminale de cet épanouissement et tangente à la surface latérale du noyau correspondant (2). 5. Appareil à courants de Foucault selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la borne d'entrée (E) de chaque épanouissement polaire (5) s'étend circonférentiellement au moins jusqu'à la sur- face latérale de l'enroulement (3) qui entoure l'épanouis- sement voisin (5). 6. Appareil à courants de Foucault selon l'une quel- conque des précédentes revendications, pour lequel l'induit annulaire comprend au moins un disque rotorique (8), carac- térisé en ce que chaque épanouissement polaire (5) présente selon une vue en bout considérée parallèlement à l'axe de ce disque (8) la forme générale d'un trapèze isocèle à an- gles arrondis dont le centre est décalé circonférentielle- ment, par rapport à l'axe (Y) du noyau correspondant, dans le sens contraire à celui de la rotation du disque (8). 7. Appareil à courants de Foucault selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que la section droite de chaque noyau (2) présente la forme générale d'un trapèze isocèle à angles arrondis. 8. Ralentisseur à courants de Foucault, notamment pour véhicule, dans lequel l'induit, constituant rotor, est solidaire d'un arbre à ralentir, l'inducteur étant solidai- re du châssis qui supporte le ralentisseur et l'arbre et présentant une suite de pôles -à polarités alternées qui constituent la couronne discontinue ci-dessus, caractérisé en ce que ses épanouissements polaires sont décalés circon- férentiellement vers l'arrière selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Ralentisseur à courants de Foucault selon la re- vendication 8, caractérisé en ce que le décalage circonfé- rentiel angulaire (a) vers l'arrière de chaque épanouisse- ment polaire (5) est compris entre le 1/25 et le 1/7 du pas polaire angulaire.