Brevet FR2683670A1 — publié le 19930514

La présente invention se rapporte à un appareil électromagnétique perfectionné constituant un électro- aimant de levage, utilisé pour lever et porter des matiè- res ferreuses, spécialement des ferrailles, grâce à ses propriétés magnétiques, ou constituant un électro-aimant d'extraction, utilisé pour extraire et séparer les matiè- res ferreuses qui sont contenues et dispersées dans des produits non magnétiques. L'invention s'applique à l'industrie de la cons- truction des appareils électromagnétiques spécialement destinés à la manutention et/ou à la récupération des ma- tières ferreuses. On connait actuellement différents électro- aimants comprenant une pièce qui constitue le noyau po- laire intérieur et qui est entourée d'une bobine, laquel- le est à son tour entourée d'une autre ou de plusieurs autres pièces perméables au flux magnétique, les surfa- ces de ces pièces constituant la partie active ou la zone d'attraction de l'électro-aimant et enfermant en elle ou entre elles la pièce ou les pièces de matière non magnétique destinées à servir de support et de pro- tection pour la bobine proprement dite. Habituellement, ces électro-aimants sont consti- tués, comme indiqué sur la figure 1, par une pièce polai- re intérieure 1 entourée d'une bobine 2 qui est à son tour entourée ou enfermée par une ou plusieurs autres pièces 3 perméables au flux magnétique Les surfaces A des pièces 1 et 3 constituent la partie active ou d'at- traction de l'électro-aimant et, entre elles, se trou- ve(nt) la ou les pièce(s) de matière non magnétique qui sert ou servent à la fixation et à la protection de la bobine. Les autres surfaces B des pièces 1 et 3 sont réunies par une autre pièce 5, généralement appelée cu- lasse, elle aussi perméable au flux magnétique, et qui forme un moyen adéquat pour le passage du flux magnétique. Pour mieux exploiter l'énergie, les sections des pièces 1 et 3 sont habituellement sensiblement éga- les et, du fait qu'elle est entourée par la bobine, la pièce 1 est par conséquent toujours beaucoup plus épais- se que la pièce 3 qui, à son tour, entoure la bobine et possède ainsi un périmètre suffisamment grand. Pour les raisons indiquées plus haut, l'épais- seur de la pièce 5 n'est pas uniforme puisque, pour pré- senter la même section de passage du flux magnétique, el- le demande à être beaucoup plus épaisse dans sa partie de contact avec le noyau central 1 que dans sa région pé- riphérique en contact avec la pièce 3. Comme exemple d'exécution traditionnel de ce ty- pe d'électro-aimant, on citera une section typique d'électro-aimant, circulaire dans ce cas, représentée sur la figure 2. Etant donné que la construction de la bobine était exécutée sans exception sur des surfaces planes, cette augmentation de l'épaisseur de la pièce était tou- jours de la forme indiquée sur la figure 2, c'est-à-dire en croissance vers l'extérieur de l'électro-aimant et au-dessus de la bobine, la section du logement de la bo- bine étant rectangulaire. L'électro-aimant de levage et d'extraction de matières ferreuses objet de la présente invention présen- te, vis-à-vis des constructions déjà décrites et qu'on trouve dans l'état de la technique, une différence prin- cipale et fondamentale innovatrice consistant en ce qu'à la différence des constructions antérieures, l'épaisseur de la culasse croit vers l'intérieur, en direction de la bobine, de sorte que le logement de la bobine perd sa forme rectangulaire. Sur la figure 3, et à titre de version ou d'exemple non limitatif, on représente un électro-aimant du type correspondant à la figure 2 mais construit con- formément au procédé innovateur selon l'invention. La force d'attraction d'un électro-aimant dé- pend, en circuit fermé, de l'induction magnétique déve- loppée dans la surface des pôles et, en circuit ouvert, elle dépend de l'intensité du champ magnétique et de sa portée dans l'espace. L'induction développée dans la surface des pô- les dans le cas du circuit fermé dépend des ampères- tours de la bobine, de la perméabilité de la matière du circuit, et de la longueur du circuit magnétique A éga- lité de bobine et de matière du circuit magnétique, l'in- duction croit avec la diminution de la longueur du cir- cuit magnétique De cela ressort le principal, et le plus immédiat, avantage de l'invention puisqu'en effet, tous les autres paramètres restant égaux, la longueur du circuit Lm est réduite d'environ 9 %, avec augmentation consécutive de l'induction, ou autrement, il est possi- ble d'obtenir la même induction avec une plus petite bo- bine Néanmoins, ceci ne constitue pas l'avantage le plus important de l'invention ; en effet, les avantages les plus importants se manifestent dans le cas du cir- cuit ouvert. La quasi totalité des ferrailles qui sont manu- tentionnées dans l'industrie sont des ferrailles de fai- ble densité apparente, généralement entre 0,5 et 1,3 t/m 3 Lorsqu'un électro-aimant charge ce type de ferrail- le, le volume d'air contenu entre la charge et, par conséquent, la largeur des entrefers du circuit, sont d'une valeur tellement grande que la ferraille ne ferme pas réellement le circuit magnétique et ne fait que donner une forme physique au champ magnétique créé par l'électro-aimant en circuit ouvert La valeur plus ou moins grande de la charge de ferraille de basse densité qu'un électro-aimant peut porter dépend de l'intensité et de l'extension de ce champ dans l'espace. La figure 4 rendra plus évidentes et explicite- ra les différences existant entre les constructions anté- rieures d'électro-aimants et celles du type auquel la présente invention se rapporte. Sur la figure 4, on représente graphiquement et en trait continu le potentiel magnétique dans un électro-aimant traditionnel El et, sur la même figure mais en trait interrompu, celui d'un électro-aimant E 2 selon l'invention Pour mieux faire comprendre l'effet qui se produit, on a considéré dans les deux cas comme potentiel zéro celui de l'axe magnétique du système et qui est représenté sur chaque figure par une ligne en trait gras. Il convient de remarquer qu'on a supposé des va- leurs égales pour les sections du circuit magnétique, le nombre de spires de la bobine et l'intensité électrique des deux électro-aimants, afin de faire ressortir claire- ment l'influence de l'invention. Les différences entre les deux dessins, c'est- à-dire entre El et E 2 sont importantes et peuvent être résumées comme suit : a) l'axe magnétique du système a été considérablement dé- placé vers l'extérieur de l'électro-aimant C'est logi- que puisque la bobine selon l'invention comporte beau- coup plus de spires vers l'extérieur que la bobine traditionnelle et qu'à l'inverse, elle comporte beaucoup moins de spires à l'intérieur. b) Lorsqu'on s'est écarté de la verticale du noyau ou du pôle central, dans l'électro-aimant traditionnel, le po- tentiel décroît linéairement, tandis que, selon l'inven- tion, il décroît selon la courbe de pente minimale lors- qu'on quitte le noyau central, et de pente maximale lors- qu'on atteint le pôle extérieur Le potentiel magnétique étant le résultat direct des ampères-tours par centimè- tre de la bobine, il est naturel que, dans l'électro- aimant traditionnel, ce potentiel décroisse linéairement puisque les A tr/cm de sa bobine sont uniformes sur tou- te la largeur Au contraire, la bobine selon l'invention possède un plus grand nombre de A tr/cm dans les centimè- tres extérieurs que dans les centimètres intérieurs, de sorte que son potentiel décroît progressivement dans les régions proches du pôle central (il y a un petit nombre de A tr/cm dans la bobine), et plus rapidement dans les régions proches du pôle extérieur (il y a un plus grand nombre de A tr/cm dans la bobine), la pente de décrois- sance s'accentuant entre le pôle intérieur et le pôle ex- térieur, toujours en fonction du contenu de A tr/cm Ce potentiel croît également dans la bobine. c) Comme conséquence des deux exposés ci-dessus, et si l'on suppose un potentiel zéro correspondant à l'axe magnétique de chaque électro-aimant, le potentiel selon l'invention est fortement déplacé vers le côté négatif, c'est-à-dire vers le pôle extérieur. Ces importantes différences de distribution de potentiel magnétique exercent des effets correspondants sur le champ magnétique engendré dans chaque électro- aimant La figure 5 fera meiux ressortir les différences entre les constructions traditionnelles et celles selon l'invention. Sur la figure 5, on a représenté graphiquement le champ magnétique par la ligne qui joint les points o l'électro-aimant engendre d'une force d'attraction d'un gramme sur une masse sphérique de fer d'un gramme On a représenté en trait continu l'électro-aimant tradition- nel et en trait interrompu celui selon l'invention. Ainsi qu'on peut s'y attendre en se reportant au graphique de distribution de potentiel magnétique, la portée du champ magnétique selon l'invention est suf- fisamment supérieure à celle de l'électro-aimant tradi- tionnel dans les régions proches du pôle extérieur Au contraire, sur le pôle intérieur, elle est presque iden- tique, la différence est minime et ceci est dû au fait que la forme pénétrante de la culasse de l'invention ren- force le flux magnétique dans les régions proches du pô- le central et augmente la composante normale du champ, tout ceci du fait que les distances '1 selon l'inven- tion sont beaucoup plus petites que les 1 de l'électro-aimant traditionnel. Cet effet est tellement important, aussi bien pour un électro-aimant de levage que pour un électro- aimant d'extraction, qu'il convient de renforcer encore plus la pénétration de la culasse. La figure 6 est utile pour expliquer le champ engendré par l'électro-aimant. Sur la figure 6, on représente le champ engen- dré par le même électro-aimant E 2 selon l'invention qui a déjà été représenté sur la figure 5 mais, ici, avec la culasse totalement abaissée vers la partie la plus basse du pôle intérieur, dans toute la mesure permise par la construction En trait interrompu, on indique le champ du prototype antérieur E 2 et en trait continu celui de l'électro-aimant actuel E 3. Cette dernière construction comporte logique- ment une culasse de section beaucoup plus grande dans les régions proches du pôle intérieur que dans celles proches du pôle extérieur Etant donné qu'en soi, ceci n'offre aucun avantage et qu' en revanche, cette cons- truction augmente pas considérablement le poids de l'électro-aimant, cette culasse peut être évidée dans sa partie supérieure jusqu'au point de rendre les sections de la culasse égales entre elles, et même jusqu'à rendre la section plus faible dans les régions proches du noyau intérieur A titre d'exemple non limitatif, la figure 7, représente un électro-aimant possédant ces caractéristi- ques. Il est connu que, dans les ferrailles de faible densité, le volume, et de ce fait le poids, de la fer- raille que l'électro-aimant peut emporter à chaque le- vée, sont directement proportionnels au volume du champ magnétique engendré par l'électro-aimant et représenté sur les figures 5 et 6 En observant ces figures, on com- prend la grande augmentation de volume de ferraille que l'électro-aimant selon l'invention peut emporter, compa- rativement à la construction traditionnelle. Dans des essais pratiques exécutés sur des pro- totypes, on a obtenu avec des électro-aimants de même poids, de mêmes sections de A tr, de même consommation, etc , des augmentations de 38 % de la capacité sur des ferrailles légères. Les effets avantageux produits par la pénétra- tion de la culasse et la forme non uniforme de la bobine peuvent être renforcés si l'on accentue encore davantage le déplacement de l'axe magnétique de la bobine vers l'extérieur, en agissant maintenant sur le conducteur de la bobine, par exemple en faisant varier la section ou le type de conducteur afin d'augmenter encore davantage le nombre de spires par centimètre qui se trouvent dans la partie extérieure de la bobine. Dans un prototype construit, on a bobiné en con- ducteur d'aluminium jusqu'à la zone prévue de l'emplace- ment de l'axe magnétique et, ensuite, on a terminé la bo- bine avec un conducteur de cuivre d'une section qui don- nait la même résistivité que le conducteur d'aluminimum précédent. Le résultat est une augmentation du poids de l'électro-aimant de 9,31 % mais la courbe du champ magné- tique obtenu a été celle indiquée sur la figure 8. La courbe de ce prototype est tracée en gras, la courbe de l'électro-aimant précédent E 2 de la figure 5 est tracée en tireté et la courbe de l'électro-aimant traditionnel El de la même figure 5 est tracée en poin- tillé. La construction pratique de l'invention est très simple La pénétration de la culasse peut se trans- former en une ligne brisée comme indiqué sur la figure 9. Cet exemple d'exécution permet de monter plu- sieurs bobines différentes possédant la section rectangu- laire classique, comme représenté sur la figure 9, ou bien, et de préférence, on conserve la forme courbe ou conique de la culasse et on construit la bobine dans un moule présentant la même forme, en utilisant un conduc- teur de profil rond ou plat, de manière qu'il y ait plu- sieurs spires dans chaque couche de la bobine. La figure 10 est un autre schéma illustratif. Dans le moule (figure 10), on déterminera le nombre de spires qui rentrera dans chaque couche En im- prégnant de résine ou de vernis avant d'extraire du mou- le, on obtient une bobine ayant la forme exacte du loge- ment qui lui revient dans l'électro-aimant Jusqu'à pré- sent, on a exprimé clairement, et en comparaison avec les constructions antérieures qu'on trouve dans l'état de la technique, les améliorations et innovations de la présente invention. En résumé, les caractéristiques esentielles et qui révèlent la nouveauté innovatrice de l'invention sont les suivantes a) l'invention a pour objet un appareil électromagnéti- que perfectionné, en particulier pour électro-aimants de levage et électro-aimants d'extraction, comportant au moins une bobine, un pôle intérieur à la bobine et un au- tre pôle extérieur à la bobine, les deux pôles étant réu- nis par une pièce ou culasse perméable au flux magnéti- que, et caractérisé en ce que la surface de cette culas- se qui est dirigée vers la bobine n'est pas plane, cette surface s'enfonçant progressivement dans le logement de la bobine, du pôle extérieur vers le pôle intérieur. b) Son bobinage n'est pas uniforme, en ce sens qu'il con- tient un plus petit nombre d'ampères-tours par centimè- tre dans la partie intérieure de la bobine que dans sa partie extérieure ou périphérique. c) Dans l'électro-aimant, pour faire en sorte que le bo- binage contienne moins d'ampères-tours par centimètre dans sa partie intérieure que dans sa partie extérieure, on construit la bobine sur un moule dont la largeur croit de l'intérieur vers l'extérieur. d) L'appareil électromagnétique, pour faire en sorte que le bobinage comprenne moins d'ampères-tours par centimè- tre dans sa partie intérieure que dans sa partie exté- rieure, comporte une pluralité de bobines dont les hau- teurs croissent de l'intérieur du bobinage jusqu'à l'ex- térieur de celui-ci. Pour mieux faire comprendre les caractéristi- ques et éléments de la présente invention, on joint une planche de dessins sur laquelle on représente, sur la fi- gure 11, une représentation en coupe non limitative de l'électro-aimant objet de la présente invention La réfé- rence 1 désigne la pièce polaire intérieure La référen- ce 2 désigne la bobine d'excitation La référence 3 dési- gne la pièce perméable au flux magnétique La référence 4 désigne la plaque protectrice en matière non magnéti- que La référence 5 désigne la culasse La référence 6 désigne la partie active ou d'attraction. On ne considère pas comme nécessaire de donner une description plus complète pour que l'homme de l'art comprenne l'invention et les avantages qui en résultent. Les matières, les formes, les dimensions et dispositions des éléments sont susceptibles de variations, pourvu que ces variations n'entraînent pas d'altération de l'essen- ce de l'invention Les termes par lesquels l'invention est décrite dans le présent mémoire doivent toujours être entendus dans un sens large et non limitatif. REVENDICATIONS 1 Appareil électromagnétique perfectionné des- tiné à constituer un électro-aimant de levage ou un électro-aimant d'extraction, comportant au moins une bo- bine, un pôle intérieur à la bobine et un pôle extérieur à la bobine, les deux pôles étant réunis par une pièce ou culasse perméable au flux magnétique, caractérisé en ce que la surface de cette culasse qui est dirigée vers la bobine n'est pas plane, mais s'enfonce au contraire progressivement dans le logement de la bobine, du pôle extérieur vers le pôle intérieur. 2 Appareil électromagnétique perfectionné se- lon la revendication 1, caractérisé en ce que son bobina- ge n'est pas uniforme, en ce sens qu'il contient un plus petit nombre d'ampères-tours par centimètre dans la partie intérieure de la bobine que dans sa partie extérieu- re ou périphérique. 3 Appareil électromagnétique perfectionné se- lon les revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour faire en sorte que le bobinage contienne moins d'ampères-tours par centimètre dans sa partie intérieure que dans sa partie extérieure, la bobine est construite sur un moule dont la largeur croît de l'intérieur vers l'extérieur. 4 Appareil électromagnétique perfectionné se- lon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour faire en sorte que le bobinage comprenne moins d'ampères-tours par centimètre dans sa partie intérieure que dans sa partie extérieure, il comporte une pluralité de bobines dont les hauteurs croissent de l'intérieur du bobinage jusqu'à l'extérieur de celui-ci. 5 Appareil électromagnétique perfectionné selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour obtenir une plus grande différence d'ampères- tours par centimètre entre l'intérieur et l'extérieur du bobinage, ce dernier est construit avec des conducteurs possédant des sections différentes. 6 Appareil électromagnétique perfectionné se- lon les revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour obtenir une plus grande différence d'ampères- tours par centimètre entre l'intérieur et l'extérieur du bobinage, la partie extérieure de ce bobinage est faite d'une matière possédant une plus grande conductibilité que sa partie intérieure.