Brevet FR2607333A1 — publié le 19880527

COlUPLEUR MAGNETIQUE A BYSTERESIS A COUPLE PEU DEPENDANI DE LA VITESSE DE GLISSEMENT ET SON UTILISATION L'invention concerne le domaine des accouplements magnétiques a hystérésis, et l'utilisation de tels accouplements ou coupleurs dans les dispositifs enrouleurs-dérouleurs. Le brevet FR-1 602 519 décrit un dispositif enrouleur-dérouleur utilisant de tels coupleurs. Chaque coupleur comporte deux éléments coaxiaux susceptibles d'être en rotation l'un par rapport à l'autre: l'un de ces éléments contient un inducteur développant un champ magnétique multipolaire alterné dont les p8les se succèdent par symétrie de révolu- tion autour de l'axe de révolution, et l'autre élément est en matière ferromagnétique, de préférence magnétiquement dure, non préalablement aimantée. L'inducteur comporte des électro-aimants ou de préférence des aimants permanents. Au cours de l'enroulement ou du déroulement, on peut maintenir le moteur d'entrainement à la vitesse normale grâce aux possibilités de glissement des éléments récepteurs ou éléments menés par rapport aux éléments moteurs ou éléments menants. Selon ce document, le couple transmis reste alors pratiquement constant. L'expé- rience a toutefois montré que, aux vitesses de glissement élevées et surtout au déroulement le couple transmis augmentait d'une façon importante et gênante avec la vitesse de glissement, avec un accroissement pouvant dépasser par exemple +60 % relatif pour des vitesses de glissement supérieures à 2000 tours/min, dans le cas des coupleurs d'enrouleurs et du déroulement. La demanderesse a cherché à mettre au point un coupleur magnétique donnant un couple transmis dépendant beaucoup moins de la vitesse de glissement. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour objet un coupleur magnétique à hystérésis qui, comme il est connu, comporte un sous-ensemble inducteur comprenant des aimants permanents ou des électro-aimants et un sous-ensemble induit comprenant un ou plusieurs aimants à hystérésis. Selon l'invention, le sous-ensemble induit de ce coupleur est en partie au moins constitué d'une pate moulée contenant des particules d'aimants à hystérésis et 10 à 60 % en volume de liant isolant électriquement. On sait que les variations du couple transmis par le coupleur avec la vitesse de glissement proviennent essentiellement des courants de Foucault induits par les variations des flux magnétiques dans le sous- ensemble induit. L'utilisation de la pate composite de l'invention diminue très fortement ces variations du couple transmis, probablement parce qu'elle agit sur la formation de ces courants de Foucault. Cette pate composite moulée est typiquement formée de morceaux ou de poudre d'aimants ferro-magnétiques, par exemple des aimants du type Al-NiCo ou Fe-Nd-B liés par un isolant électrique, par exemple une résine. La proportion en volume de ce liant qui est nécessaire pour obtenir un isolement électrique efficace entre les particules d'aimants dépend de leur répartition granulométrique, lorsqu'il s'agit d'une poudre d'aimants, et en pratique il convient d'avoir au moins 10 % en volume de liant pour éviter que la pâte composite ne soit conductrice électriquement, et pas plus de 60 % pour ne pas diminuer de façon exces- sive le couple transmis par unité de surface de l'induit. La pate composite moulée du sous-ensemble induit contient de préférence à 50 % en volume de liant isolant électriquement, de façon à mieux assurer la faiblesse de la variation du couple transmis avec la vitesse de glissement, liée au bon isolement électrique des aimants en morceaux ou en particules, et à avoir un assez bon couple transmis. Et cette pâte contient, de préférence encore, 20 à 40 % en volume de liant isolant électriquement, cet intervalle correspondant à un optimum pratique. pour la fabrication. Quelle que soit la proportion de liant isolant électriquement, il est souhaitable d'avoir des tailles de particules d'aimants à hystérésis limitées par rapport à la dimension des p8les de l'inducteur, les dimensions de chacune de ces particules étant donc en pratique inférieures au 1/3 de la largeur des p8les, sinon l'effet dû à des courants de Foucault peut redevenir notable. Et il est souhaitable que les particules d'aimants ne soient pas non plus trop petites, sous peine de perdre de l'efficacité dans la transmission du couple, 75 % en masse ou en volume de ces particules ayant donc des dimensions au moins égales à 0,2 mm. Grace à leur pâte composite, les pièces induites ont une température de fonctionnement plus faible en régime de glissement: la dispersion du matériau à hystérésis diminue la densité de l'échauffement dû aux pertes magnétiques par hystérésis, et l'échauffement dû aux courants de Foucault est pratiquement supprimé. Les échauffements résiduels peuvent encore être diminués, soit par la structure du support d'induit, par exemple une pièce en aluminium avec des ailettes de refroidissement, soit par l'introduction de particules conductrices thermiquement et isolantes électriquement dans le liant, typiquement une résine. On peut ainsi avoir 40 à 80 % en volume de fines particules de verre, d'alumine ou de céramique noyées dans de la résine, les dimensions moyennes de ces particules étant typiquement comprises entre 5 et 30 Pum. Pour la pâte composite moulée de l'invention, l'utilisation d'une résine époxyde comme liant, ou comme composant d'un liant chargé de particules conductrices thermiquement, est particulièrement commode pour réaliser le sous-ensemble induit. En se référant au même principe de fragmentation et d'isolement des aimants à hystérésis de l'induit, l'invention a aussi pour objet un coupleur ayant un sous-ensemble induit en partie au moins constitué d'un fil ou d'un ruban en matière aimantable à hystérésis gainé d'un isolant électrique représentant 5 à 30 % du volume du fil ou ruban isolé. Le contact d'une portion d'un tel fil isolé avec une autre portion du même fil isolé laisse les deux portions correspondantes de matière aimantables séparées par une double épaisseur d'isolant, de sorte qu'on retrouve la règle d'isolement par le liant des particules d'aimants à hystérésis. Le sous-ensemble induit peut être alors en partie au moins constitué d'un enroulement de ce fil ou ruban, typiquement en spirale ou cylindrique, l'isolant électrique de ce fil ou ruban représentant à 30 % du volume et de préférence 10 à 20 % du volume. L'invention a enfin pour objet l'utilisation du coupleur à pièce induite composite, selon l'une quelconque des formes précédemment décrites, dans un enrouleur-dérouleur. Dans un tel dispositif, la régularité du couple transmis et la limitation de l'échauffement du ou des coupleurs sont importantes pour la sécurité du fonctionnement. RERMPLES La figure 1 représente un coupleur magnétique à hystérésis selon l'invention, en coupe axiale longitudinale. La figure 2 représente le dispositif d'essai comparatif, en vue pers- pective. La figure 3 représente la variation du couple transmis en fonction de la vitesse, pour un coupleur selon l'invention et pour un coupleur selon l'art antérieur. Sur la figure 1, on peut voir un coupleur 1 dont le sous-ensemble inducteur 2 est constitué d'un plateau 3 portant deux aimants permanents en forme de couronnes 4 et 5, et se prolongeant en un arbre de sortie 14 pouvant tourner entre les roulements 15, et dont le sous-ensemble induit 6 comporte deux induits 7 et 8 comprenant chacun un support en aluminium 9 et 10 et une plaque de pâte magnétique moulée 11 et 12 constituée de 30 % en volume de résine époxyde chargée de billes d'alumine de diamètre 9 mm et de 70 % de poudre Al-Ni-Co de composition en Z en masse: Ni 25, A1 12, Co 5, Cu 4, Fe: le solde. Ces deux plaques induites en pâte magnétique avaient chacune les dimensions suivantes: fY ext. 170 mm -,6 int. 90 mm épaisseur 3 mm. Elles étaient solidarisées par les liaisons telles que 13. L'entrainement du sous-ensemble induit 6 se fait par l'intermédiaire d'un accouplement traditionnel simple comprenant ici des doigts 16 en alliage d'aluminium et une étoile intercalaire 17 en matériau élastique. Les essais dont les résultats apparaissent sur la figure 3 ont été faits dans les conditions suivantes: le dispositif de mesure (figure 2) se composait d'un moteur 18 fixé au moyen d'une bride et de l'accouplement souple 16 et 17 (figure 1) au sous-ensemble induit 6 constituant le primaire du coupleur 1 - Un bras 10 était fixé rigidement a l'extrémité de l'arbre de sortie 14 perpendiculairement à cet arbre 14, et une masse 20 de 2 kg était suspendue à cet arbre à une distance L - 0,5 m de l'arbre 14. Un cadran 21 gradué en degrés d'angle était fixé à la face d'extrémité 22 du capot du coupleur 1, perpendiculairement à l'arbre 14. On entraînait au moyen du moteur 18 le primaire du coupleur 1 à une vitesse variable comprise entre 0 et 4000 tours/minute, et le bras 19 fixé sur l'arbre 14 et chargé de la masse 20 servait alors à appliquer un couple résistant variable avec la position angulaire. Dans la position d'équilibre, le bras rigide 19 étant immobile, le couple transmis est égal au couple résistant qu'on déduit simplement et rapidement de la mesure de l'angle de déviation CK du bras 19 par rapport à la verticale descendante. La précision de ce système était meilleure que 3 % pour l'estimation des couples transmis. Les inducteurs 4 et 5 étaient des pièces en ferrite d'épaisseur 19 mm avec 16 pôles en trapèze de hauteur 40 mm et de longueurs de bases 33 et 17,5 mm. Les résultats ci-dessous ont été obtenus dans le cas de ce coupleur selon l'invention: TABLEAU 1 Vitesse 16 340 950 1050 1750 2050 2650 inducteur (tours/min) Couple transmis 4,0 3,9 4,1 4,2 4,2 4,1 4,6 (m.N) Ces résultats sont repris sur la figure 3 (courbe A), représentant le couple transmis en fonction de la vitesse de rotation relative ou vitesse de glissement. Dans le cas de ce premier coupleur, le couple transmis a augmenté d'environ 7,5% au niveau de 2000 t/min. Pour comparer ces résultats avec ceux d'un coupleur à induit massif, on a testé un coupleur semblable ayant le même inducteur et une seule plaque induite massive en Al-Ni-Co de même composition que la poudre précédente W ext. 143 mm x e0 int. 70 mm x épaisseur 8 mm avec seulement 8 p8les, l'accroissement du couple transmis avec la vitesse de rotation relative étant alors moindre qu'avec 16 p8les. Les résultats de ces tests figurent dans la tableau 2 et sont reportés dans la figure 3 (courbe B). Pour les besoins de la comparaison, on a calculé par extrapolation (tableau 2 et courbe C de la figure 3) les résultats correspondants à 2 plaques induites identiques à la précédente, situées dans la position des plaques 11 et 12 de la figure 1 - Les résultats du coupleur avec l'invention doivent être comparés à ces résultats pour deux plaques induites massives, car les surfaces du matériau magnétique des plaques induites, paramètres les plus importants ici vis-à-vis des courants de Foucault, s'échelonnent comme suit: - coupleur selon l'invention: 163,3 x 2 x 0,7 = 229 cm2 - coupleur à 1 plaque induite massive: 122 cm2 - coupleur à 2 plaques induites massives: 244 cm2. TABLEAU 2 Vitesse 30 230 1030 1280 1420 1680 2220 2350 (tours/min) 1 plaque induite 3,9 4,0 5,0 5,5 5,7 6,0 6,6 6,7 Couple 2 plaques induites 4,0 4,4 5,8 6,3 6,5 7,0 7,9 8,2 (m.N) (calcul) Les résultats de la comparaison entre le coupleur à induit composite selon l'invention et entre le coupleur à deux plaques induites massives sont ici les suivants: 26î7333 7. TABLEAU 3 - Accroissement du couple transmis avec la vitesse relative de rotation Tours/min 1000 1500 2000 2500 Coupleur à induit composite + 5 % + 6 % + 7,5 + il % Coupleur à induit massif + 45 % + 65 % + 85 % +112% L'effet de l'invention devient ainsi très important lorsque la vitesse de rotation relative ou vitesse de glissement de l'induit par rapport à l'inducteur dépasse 1000 tours/min. Comme le montrent les exemples, un avantage de l'invention est la possibilité d'utiliser des plaques induites composites beaucoup plus minces que les plaques induites massives obtenues par moulage, et d'avoir par suite des inducteurs moins coûteux. 8: REVENDICATIONS 1. Coupleur magnétique à hystérésis (1) comportant un sous-ensemble inducteur (2) comprenant des aimants permanents (4,5) ou des électro- aimants et un sous-ensemble induit (6) comprenant un ou plusieurs aimants à hystérésis (11,12), caractérisé en ce que le sous-ensemble induit (6) est en partie au moins constitué d'une pâte moulée (11,12) contenant des particules d'aimants à hystérésis et 10 à 60 % en volume de liant isolant électriquement. 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pâte moulée (11,12) du sous-ensemble induit (6) contient 15 à 50 % en volume de liant isolant électriquement. 3. Coupleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pâte moulée (11,12) contient 20 à 40 % en volume de liant isolant électriquement. 4. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les particules d'aimants à hystérésis ont des dimensions unitaires inférieures au 1/3 de la largeur des p8les de l'inducteur (2) et en ce que 75 % en masse au moins de ces particules ont des dimensions au moins égales à 0,2 mm. 5. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le liant est constitué de particules conductrices thermiquement et isolantes électriquement noyées dans une résine. 6. Coupleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le liant contient 40 à 80 % en volume de particules de matériaux du groupe: verre, alumine, céramique. 7. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le liant est ou contient une résine époxyde. 8. Coupleur magnétique à hystérésis comportant un sous-ensemble inducteur (2) comprenant des aimants permanents ou des électro-aimants et un sousensemble induit (6) comprenant un ou plusieurs aimants à hystérésis caractérisé en ce que le sous-ensemble induit (6) est en partie au moins constitué d'un fil ou d'un ruban en matière aimantable à hystérésis recouvert d'un isolant électrique représentant 5 à 30 % du volume de ce fil ou ruban isolé. 9. Coupleur selon la revendication 8 caractérisé en ce que le sous- ensemble induit (6) est en partie au moins constitué d'un enroulement de fil ou ruban en matière aimantable à hystérésis isolé électriquement dont l'isolant représente 10 à 20 % de son volume. 10. Utilisation d'un coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans un enrouleur-dérouleur.