Brevet FR2588134A1 — publié le 19870403

I "Dispositif de freinage électromagnétique pour appareil d'entraînmement sportif" L'invention se rapporte à un dispositif de freinage électromagné- tique pour appareil d'entraînement sportif, en particulier pour appareil d'ergométrie. Un appareil d'ergométrie est semblable à une bicyclette d'appar- tement, dont la roue arrière est remplacée par un volant d'inertie qui est mis en rotation par l'intermédiaire d'un entraînement à pédales. Un dispositif de freinage réglable, qui agit sur le volant d'inertie, déter- mine la résistance à la rotation, qui vient contrecarrer l'effet de l'entraî- nement à pédales. L'appareil d'ergométrie peut être réalisé en tant que simple appareil d'entraînement physique. Il peut aussi être couplé à des appareils de mesure qui permettent de mesurer l'énergie développée pour l'entraînement du pédalier, ainsi que de mesurer des grandeurs d'ordre médical relatives à la personne utilisatrice. Sur les appareils d'ergométrie simples, le dispositif de freinage est un frein mécanique à friction, par exemple sous la forme d'une bande ou de rouleaux. Ces freins mécaniques à friction ont pour inconvénient de s'user rapidement. Il est en outre connu d'accoupler un frein à courants de Foucault au volant d'inertie. Un tel frein à courants de Foucault n'est en soi pas sujet à l'usure. Les freins à courants de Foucault de type connu doivent néanmoins être alimentés en énergie électrique par le réseau. Dans le cas des freins de Foucault, de type connu, qui fonctionnent indépendamment du réseau, il est nécessaire, pour régler la puissance de freinage, de déplacer mécaniquement un aimant permanent. L'invention se rapporte à un dispositif de freinage électromagné- tique pour appareil d'entraînement sportif, en particulier pour appareil d'ergométrie, dont la puissance de freinage est ajustable électriquement, et qui fonctionne sans aucun apport d'énergie électrique extérieure. Ce dispositif de freinage peut par ailleurs être construit de façon simple. Le dispositif de freinage électromagnétique selon l'invention comporte un stator et un rotor, qui peut tourner par rapport au stator autour d'un axe d'articulation. Le stator et le rotor présentent, respecti- vement, des circuits ferromagnétiques multipolaires, qui forment ensemble un circuit de circulation de flux magnétique. Sur les circuits ferromagné- tiques sont placés des enroulements, parmi lesquels un enroulement d'excitation et un enroulement d'induit. Le circuit ferromagnétique de l'enroulement d'excitation a des propriétés de rémanence magnétique, de sorte que, lors de la rotation du rotor par rapport au stator, il est induit une tension d'amorçage dans l'enroulement d'induit. L'enroulement d'excitation est relié à l'enroulement d'induit par l'intermédiaire d'un dispositif à bagues de contact, et est alimenté par le canal du courant produit par l'enroulement d'induit. Un dispositif électrique de commande qui, dans le cas le plus simple, est un potentiomètre, mais qui est préfé- rentiellement constitué par un régulateur de courant, permet de régler le courant fourni par l'enroulement d'excitation. Un enroulement en courtcircuit est par ailleurs plaçé sur le circuit ferromagnétique de l'enroulement d'induit. Le champ magnétique de l'enroulement d'excita- tion, qui est réglable par le dispositif de commande, induit, dans l'enrou- lement en court-circuit, un courant de court-circuit, ce qui engendre un couple de freinage proportionnel au courant d'excitation. Dans une forme préférentielle de réalisation de l'invention, le circuit ferromagnétique rémanent, qui est pourvu des enroulements d'excitation, est un circuit ferromagnétique à crabots. L'enroulement d'excitation est constitué par une bobine concentrique à l'axe de rotation, tandis que le circuit ferromagnétique à crabots comporte une carcasse annulaire à rémanence magnétique en un acier magnétique dur, en particu- lier en acier C-35, qui est concentrique à cette bobine, des pièces porteu- ses annulaires des crabots s'appuyant, sans entrefer d'air, contre les fronts axiaux de cette carcasse. Les porteurs de crabots sont équipés de crabots disposés axialement de part et d'autre et en quinconce dans le sens circonférentiel, et qui produisent en conséquence un champ magné- tique multipolaire et alterné dans le sens circonférentiel en dépit de la production de courant continu par la bobine d'excitation. Le circuit ferromagnétique de l'enroulement d'induit est équipé de pôles qui sont placés radialement en face des crabots, avec des bobines placées sur ces pôles. Les bobines de l'enroulement d'induit peuvent être réalisées avec des spires à boucles, mais de préférence elles sont réalisées sous forme d'enroulements ondulés. L'enroulement en court- circuit est lui aussi réalisé de préférence sous forme d'enroulement ondulé. L'enroulement en court-circuit peut aussi être réalisé sous forme d'un enroulement en cage d'écureuil, comportant des conducteurs ou des barres reliant axialement deux anneaux en court-circuit. Dans une forme préférentielle de réalisation, le stator est entouré par le rotor et il porte des ailettes radiales de ventilation qui sont placées axialement sur le côté de son circuit ferromagnétique. Le circuit ferromagnétique à crabots forme, entre rotor et stator, des canaux axiaux qui, en combinaison avec les ailettes radiales, assurent un bon refroidissement du rotor aussi bien que du stator. De manière appropriée, le rotor, qui entoure le stator, porte aussi l'enroulement d'induit et l'enroulement en court-circuit, ce qui améliore l'évacuation des colories dues au freinage. Le dispositif de commande est, de préférence, relié d'une seule pièce au stator et porte aussi les balais qui sont associés au dispositif à bagues de contact. On obtient ainsi un ensemble réalisé sous forme d'unité compacte. Le dispositif de freinage selon l'invention est utilisable non seulement pour un appareil d'ergométrie mais aussi pour des dispositifs d'entraînement de toutes sortes, par exemple pour des dispositifs d'entraî- nement à l'aviron ou aux patins à roulettes. On décrira maintenant plus en détail des exemples de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels: Figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale par- tielle, d'un dispositif de freinage pour appareil d'entraînement sportif, en particulier pour appareil d'ergométrie Figure 2 est une coupe longitudinale d'une variante de ce disposi- tif de freinage; et Figure 3 est un schéma électrique de bobinage du dispositif de freinage de la figure 2. Le dispositif de freinage électromagnétique représenté à la figure I comporte un stator 3 positionné sur un axe 1 de manière fixe en rotation, ainsi qu'un rotor 9 qui peut tourner autour de l'axe I grâce à des paliers 5,7. L'axe 1 est fixé dans la fourche 11 d'un appareil d'en- traînement sportif, par exemple d'un appareil d'ergométrie et relie le stator à la fourche Il de manière fixe en rotation. Une roue dentée d'entraînement 13 pour une chaîne ou courroie crantée d'entraînement est fixée au rotor 9, de façon à pouvoir entraîner en rotation, à l'aide d'un pédalier ou analogue, le rotor 9 par rapport au stator 3. Le stator 3 est construit en forme de pignon à crabots et son circuit magnétique comporte une culasse tubulaire 15, ainsi que des porteurs de crabots 17,19 placés axialement de part et d'autre de cette culasse. Les porteurs de crabots 17,19 sont de forme annulaire et sont plaqués contre les surfaces frontales de la culasse tubulaire 15. Les porteurs de crabots 17,19 portent sur leur périphérie extérieure une pluralité de crabots 21,23 placés, respectivement, en quinconce tout le long de la circonférence. Les crabots 21,23 des deux porteurs 17,19 se chevauchent l'un l'autre en direction axiale, partent des faces axiale- ment opposées de la culasse tubulaire 15 et s'étendent substantiellement sur toute la longueur de cette carcasse tubulaire 15. Ces crabots 21,23 sont donc alternés en quinconce le long de la circonférence du stator 3. La culasse tubulaire 15 est en acier magnétique rémanent, tel que de l'acier C-35. Une bobine d'excitation 25 est placée coaxialement à l'axe I dans une chambre délimitée par les crabots 21,23. La bobine d'excitation entoure la culasse 15 et produit, lorsqu'elle est alimentée en courant d'excitation continu, un champ magnétique continu dont la valeur varie ponctuellement entre les crabots 21,23 dans le sens circon- férentiel. Le rotor 9 est équipé, sur les paliers 5,7, de deux flasques 27,29, entre lesquels se trouve une carcasse annulaire 31 en fer doux, qui entoure le stator 3 étroitement, mais toutefois avec un jeu. La car- casse annulaire 31 est munie, sur sa périphérie interne, d'une pluralité de rainures axiales 33, qui forment entre elles, vu dans le sens circonfé- rentiel, des pôles 35. Les pôles 35 du rotor sont placés en face des crabots 21,23. Le nombre de pôles du rotor est égal à un multiple pair de celui du stator 3. Les conducteurs 37 d'un enroulement d'induit 39 parcourent les rainures 33 et dans ce bobinage est induite, par le champ magnétique produit par la bobine d'excitation 25, une tension alternative lorsque le rotor 9 tourne. Les bornes de l'induit 39 sont connectées à deux bagues collectrices annulaires fermées 41,43, sur lesquelles s'ap- puient élastiquement des balais 45,47. Aux balais 45,47 est connecté un régulateur de courant 49 qui redresse, dans un redresseur 51 non représenté plus en détails, la tension alternative produite par la rotation du rotor 9, et alimente, par l'intermédiaire d'un circuit de régulation traditionnel, les bornes 53 de la bobine d'excitation 25, en courant continu d'amplitude réglable. L'amplitude du courant continu d'excitation est ajustable par un dispositif d'ajustement de la valeur de consigne, se présentant sous la forme d'une résistance de réglage. La carcasse annulaire 31 du rotor 9 porte par ailleurs un bobi- nage en court-circuit 57 qui est traversé par le flux magnétique du champ du stator 3. Le bobinage en court-circuit 57 est équipé de conduc- teurs 59 placés dans les rainures 33, ces conducteurs étant reliés l'un à l'autre à leurs extrémités par des anneaux en tôle 61,63. La culasse tubulaire en matériau magnétique rémanent 15, qui est prémagnétisée à la construction du dispositif de freinage, crée un flux magnétique d'amorçage à travers l'enroulement d'induit 39. Ce flux crée, lorsque le rotor 9 tourne, un début d'excitation de la bobine , sans source extérieure. Cette excitation s'amplifie en raison de l'effet du couplage réactif existant entre le bobinage 39 et la bobine d'excitation 25, jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur déterminée par l'organe de réglagle 55. Parallèlement au flux magnétique traversant l'induit 39, le flux magnétique traversant l'enroulement en court-circuit 57 augmente également, et avec lui le couple de freinage s'opposant à la rotation du rotor 9. Le couple de freinage est sensiblement proportion- nel au courant d'excitation de la bobine 25 et peut par suite être ajusté par le dispositif de réglage de consigne 55. Il n'y a pas besoin de source extérieure du fait que la tension d'alimentation du régulateur de courant 49 est également produite par l'enroulement d'induit 39. L'enroulement en court-circuit 57 produit le couple de freinage par voie électromagnétique, du fait qu'il crée un champ magnétique contraire, qui s'oppose à celui de la bobine d'excitation 25. L'enroulement en courtcircuit 57 est constitué par exemple en matériau bon conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre ou en aluminium. Le nombre de pôles de l'enroulement en court-circuit 57 peut être différent du nombre de pôles de l'induit 39. La figure 2 montre une variante du dispositif de freinage de la figure 1. Les pièces de fonctionnement analogues à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes chiffres de référence, accompagnées toutefois de la lettre minuscule "a". On se reportera pour plus de clarté à la description relative à la figure 1. En particulier, se correspondent les pièces repérées par les chiffres de référence I à 49, 53, 57 et 59. Les pièces 51 et 55 ne sont pas représentées à la figure 2, mais elles existent bien. Le dispositif de freinage de la figure 2 comporte lui aussi un stator 3a en forme de pignon à crabots, dont le circuit magnétique com- prend une carcasse tubulaire 15a à aimantation rémanente et deux por- teurs de crabots 17a,19a plaqués axialement contre cette carcasse, ainsi qu'une bobine excitatrice 25a. La carcasse tubulaire 15a et le porteur de crabots 17a,19a sont enfilés étroitement sur un tronçon can- nelé 65 de l'axe la. Le tronçon 65 est de diamètre supérieur aux parties de l'axe qui sont situées de part et d'autre, et il maintient en direction axiale les paliers 5a,7a qui portent le rotor 9a. Le rotor 9a est équipé d'une carcasse annulaire 31a en tôle, qui est divisée en pôles 35a par des rainures axiales 33a. L'empilage de tôles de la carcasse annulaire 31a est maintenu d'un seul bloc par des rivets 67. Les flasques de paliers 27a et 29a du rotor sont pourvus, à leur périphérie externe, de surfaces de guidage 69,71 pour la roue d'inertie de l'appareil d'ergométrie, qui peut elle-même être fixée à un flasque de fixation 73 du flasque de palier 27a. Des vis 75 relient d'un seul bloc la carcasse annulaire 31a et les flasques 27a,29a. L'enroulement d'induit 39a de la figure 2 est réalisé sous forme d'enroulement ondulé, à la différence de l'enroulement d'induit 39 de la figure 1 est qui est réalisé sous forme d'enroulement à boucles. L'enrou- lement en court-circuit 57a est également réalisé sous forme d'enroule- ment ondulé, et placé, selon le canevas de bobinage de la figure 3, ensemble avec l'enroulement d'induit 39a dans les rainures 33a de la carcasse annulaire 31a. Dans l'exemple de réalisation représenté, la carcasse annulaire 31a a vingt-quatre poles pour douze poles au stator 3a. Les conducteurs 37a et 59a des enroulements 39a,57a -sont respecti- vement réalisés sous forme d'un enroulement à trois couches, avec un pas égal à deux rainures. Les départs des enroulements sont désignés par A, B et C et les terminaisons des enroulements par X, Y et Z. L'in- dice 1 indique une rainure paire, tandis que l'indice 2 indique une rainure impaire. Les conducteurs sont placés dans les rainures 33a selon l'ordre A-B-C. L'enroulement d'induit 39a inclut le schéma de bobinage BI-YI- B2-Y2. Il est prévu quatre enroulements en court-circuit: AI-Zl, CI-Xl, A2-Z2 et C2-X2. Les deux extrémités de chaque enroulement en court- circuit sont, comme on le voit sur la figure 3, reliées l'une à l'autre. Un enroulement de ce type produit un couple de freinage relativement régulier, indépendamment de l'angle de rotation du rotor. Les crabots 21a et 23a du stator 3a délimitent, entre la bobine d'excitation 25a et la périphérie intérieure de la carcasse annulaire 31a, des canaux de ventilation 77. Tandis que le flasque 27a est équipé d'une pluralité d'ouvertures 79 axiales, le flasque 29a est équipé d'une pmluralité d'ailettes radiales de ventilation 81 réparties sur sa circonfé- rence, ces ailettes étant reliées aux canaux 77 par l'intermédiaire de perçages radiaux du flasque 29a. Les ailettes 81 créent, lors de la rota- tion du rotor 9a, un courant d'air axial dans la chambre délimtiée par les flasques 27a, 29a et la carcasse annulaire 31a. Un couvercle 83, qui cache une carte électrique 85, est fixé sur le flasque 29, lui-même pourvu d'ailettes de ventilation 81. La carte électrique 85 porte les composants du régulateur de courant 49a ainsi que les balais 45a et 47a. Les bagues de contact 41a, 43a associées aux balais 45a, 47a, sont réalisées, par la technique du circuit imprimé, sur une carte annulaire 87, qui est fixée au flasque 29a, par exemple par rivetage. Les fils de connexion à l'enroulement d'induit 39a passent à travers des ouvertures du flasque 29a et sont connectés aux bagues de contact 41a, 43a. Les fils de connexion 53a-de la bobine d'excitation a passent sous le palier 7a, dans ne rainure axiale de l'axe la, pour aboutir à la carte électrique 85. Le dispositif de freinage forme ainsi une unité compacte, indépendante du secteur électrique. Le dispositif d'ajustement de la valeur de consigne, qui permet de régler le couple de freinage, peut être relié à la carte électrique 85 par un câble séparé et être installé dars un endroit approprié. g - REVENDICATIONS - 1.- Dispositif de freinage électromagnétique pour appareil d'entraînement sportif, en particulier pour appareil d'ergométrie, caracté- risé: en ce qu'il comporte un stator (3) et un rotor (9) qui peut tourner par rapport au stator autour d'un axe de rotation (1), le stator (3) et le rotor (9) présentant respectivement des circuits ferromagnétiques multipo- laires (15,17,19,31) qui forment ensemble un circuit de circulation de flux magnétique, un des circuits ferromagnétiques (15,17,19) ayant des propriétés de rémanence magnétique, en ce que des enroulements (25,29) sont placés sur les circuits ferromagné- tiques (15,17,19,31), l'un de ces enroulements étant placé sur le circuit ferromagnétique rémanent (15,17,19) et formant un enroulement d'excita- tion (25) et l'autre enroulement formant un enroulement d'induit (39), en ce qu'il comporte un dispositif à bagues de contact (41,43), par l'inter- médiaire desquelles l'enroulement d'excitation (25) est relié à l'enroule- ment d'induit (39), en ce qu'il comporte un enroulement en court-circuit (57) placé sur le circuit ferromagnétique (31) de l'enroulement d'induit (39), et en ce qu'il comporte un dispositif de commande (49) pour ajuster l'amplitude du courant fourni à l'enroulement d'excitation (25) par le courant issu de l'enroulement d'induit (39) 2.- Dispositif de freinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement d'excitation est une bobine d'excitation (25) concentrioue à l'axe de rotation (1), et le circuit ferromagnétique réma- nent est un circuit magnétique à crabots (15,17,19) comportant une pluralité de crabots (21,23) disposés axialement de part et d'autre de la bobine d'excitation (25) et en quinconce dans le sens circonférentiel, en ce que le circuit ferromagnétique (31) de l'enroulement d'induit (39) comporte une carcasse annulaire (31) en fer doux, avec des pôles (35) qui sont placés radialement face aux crabots (21,23), et en ce que l'enroulement d'induit (39) comporte au moins une bobine placée sur les pôles (35). 3.- Dispositif de freinage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la carcasse annulaire en fer doux (31) entoure le circuit ferro- magnétique rémanent (15,17,19) et est équipée de pôles (35) centripètes. 4.- Dispositif de freinage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la carcasse annulaire en fer doux (31) est équipée de rainures axiales (33) servant à la formation des pôles (35), des conducteurs (37, 59) de l'enroulement d'induit ainsi que de l'enroulement en court-circuit (57) étant placés dans ces rainures. 5.- Dispositif de freinage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enroulement d'induit (39a) et l'enroulement en court-circuit (57a) sont réalisés sous forme d'enroulements ondulés. 6.- Dispositif de freinage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enroulement en court-circuit (57) comporte, de part et d'autre de la carcasse en fer doux (31), des anneaux métalliques de court-circuit (61,63), qui sont connectés l'un à l'autre par les conducteurs (59) qui parcourent les rainures (33). 7.- Dispositif de freinage selon la revendication- 3, caractérisé en ce que le rotor (9a) porte l'enroulement d'induit (39a) ainsi que des ailettes radiales de ventilation (81) qui sont placées axialement sur le côté de la carcasse annulaire en fer doux (31a). 8.- Dispositif de freinage selon une des revendications I à 7, caractérisé en ce que le nombre de pôles du circuit ferromagnétique d'induit (31) est égal à un multiple pair du nombre de pôles du circuit ferromagnétique d'excitation (15,17,19). 9.- Dispositif de freinage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif à bagues de contact comporte deux chemins de frottement (41,43) annulaires et fermés, et en ce que le dispositif de commande (49) est relié à l'enroulement d'induit (39) par l'intermédiaire d'un circuit de redressement (51). 10.- Dispositif de freinage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de commande (49) est constitué par un régulateur de courant continu. 11.- Dispositif de freiange selon l'une.des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le stator (8a) présente un axe (la) destiné à être fixé à l'appareil d'entraînement sportif, et en ce que le dispositif de commande (49a) comporte une carte électrique (85) portant des compo- sants de ce dispositif de commande (49a), cette carte (85) étant fixée sur l'axe (la) et axialement à côté du circuit ferromagnétique statorique (15a,17a,19a). 12.- Dispositif de freinage selon la revendication 11, caractérisé en ce que la carte (85) porte les balais (45a,47a) associés aux bagues de contact (41a,43a).