Brevet FR2701522A1 — publié le 19940819

FREIN ELECTROMAGNETIQUE POUR MACHINE ELECTRIQUE, MOTEUR ÉLECTRIQUE ET ACTIONNEUR AUTO BLOQUANTS AU REPOS. La présente invention concerne un frein électromagnétique du type comportant des moyens pour assurer au repos le blocage du rotor d'une machine électrique associée. Elle concerne aussi un moteur électrique ou un actionneur autobloquants au repos. Dans l'art antérieur, on a déjà proposé des freins électromagnétiques pour corriger certaines caractéristiques électromécaniques de diverses machines électriques, des moteurs notamment. Mais, dans les réalisations antérieures, le contrôle du frein est traité indépendamment de celui de la machine associée. De ce fait, si la machine électrique n'a pas été conçue avec un frein, il faut augmenter la complexité de l'ensemble pour parvenir à un ensemble associant la machine électrique et son frein. On est donc souvent tenté, surtout pour des questions de coûts et d'encombrement, de rejeter ce type de solutions alors qu'elles présentent des avantages propres. C'est un but de la présente invention de proposer un moyen permettant de réaliser un frein associé à une machine électrique dont elle assure notamment la stabilité au repos sans augmenter considérablement la complexité de l'ensemble. D'autre part, on a déjà proposé des structures servant de freins électromagnétiques autour d'une bobine d'excitation qui mobilise une partie mobile de façon à freiner celle- ci sur une partie fixe. Cependant, on rencontre le problème du calage de l'entrefer entre les deux parties magnétiques du frein. Or, cet entrefer conditionne majoritairement les performances électromagnétiques du frein. Quand le frein est construit à l'unité ou sur de petites séries, il est possible d'envisager des opérations d'ajustement de cet entrefer. Mais, ceci devient impossible pour de grandes séries. Or, les caractéristiques des machines à frein de grande série doivent présenter des dispersions aussi réduites que possibles pour permettre l'optimisation de leur coût et de leurs performances. C'est un autre but de l'invention de proposer un frein électromagnétique dont le réglage au montage devient extrêmement simple et reproductible sur toute une gamme de fabrications tout en conservant un encombrement et une complexité réduits. Une application préférée de l'invention concerne le blocage au repos de moteurs électriques ou d'actionneurs électriques, particulièrement ceux constitués par l'association d'un moteur électrique et d'un réducteur réversible. Un tel actionneur présente l'avantage de la simplicité. Mais, en contrepartie, un effort appliqué sur la sortie de l'actionneur est capable de déplacer la position de repos du moteur électrique. Or, cette situation peut se révéler particulièrement désastreuse par exemple quand l'actionneur doit garder la mémoire de la position de repos avant de redevenir actif. De tels moteurs sont en particulier destinés à l'entraînement de dispositifs essuie-glaces. Pour une telle application, il est souhaitable que la position initiale de l'axe d'entraînement soit et demeure constante, même lorsque des contraintes extérieures s'exercent sur les organes d'essuyage. Ces contraintes correspondent par exemple aux effets aérodynamiques sur les balais d'essuie-glaces, aux efforts exercés par des rouleaux de lavage automatique, ou encore à des contraintes exercées manuellement par une personne malveillante. C'est un autre but de la présente invention de proposer une solution simple et robuste pour produire le blocage de la position de repos d'un moteur ou actionneur électrique. A cet effet, le frein de l'invention comporte des moyens de blocage qui comportent une armature rotative, solidaire du rotor de la machine électrique et une armature fixe, solidaire du stator, ladite armature fixe étant montée sur un dispositif d'activation du frein, l'armature fixe étant mobile entre une position de repos dans laquelle elle est en contact avec l'armature rotative, et une position de travail dans laquelle elle libère l'armature rotative. Le dispositif d'activation est commandé par un moyen détectant l'état de repos de la machine électrique associée. Selon un aspect de l'invention, le dispositif d'activation comporte au moins une électroaimant qui mobilise axialement l'armature fixe constituée par une pièce en un matériau magnétique mobile. Selon un autre aspect de l'invention, l'armature fixe est guidée par des tiges de guidage par rapport à la carcasse du stator. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif d'activation du frein comporte un moyen produisant une poussée de l'armature solidaire du stator vers l'armature solidaire du rotor contre l'action de 1 'électroaimant. Selon un mode de réalisation, le moyen produisant une poussée de l'armature solidaire du stator vers l'armature solidaire du rotor contre l'action de l'électroaimant comporte un ressort et qui exerce une pression de l'armature fixe sur l'armature rotative. Selon un mode de réalisation, le ressort est monté axialement le long de l'arbre du rotor, sur un tube qui permet son guidage axial le lon de son diamètre extérieur, avec une première extrêmité appuyée sur une pièce solidaire de la carcasse entourant l'électroaimant, et une seconde extrêmité appuyée sur la face en regard de l'armature fixe. Selon un autre aspect de l'invention, l'armature rotative est fixée sur l'arbre du rotor par des moyens de liaison transmettant l'effort de l'armature rotative sur l'arbre du rotor, qui permettent de plus le montage par insertion en translation de la dite armature rotative lors du montage du frein et le blocage axial de ladite armature rotative contre les actions de poussée produites par l'armature fixe. Selon un autre aspect de l'invention, les moyens de liaison transmettant l'effort de l'armature rotative sur l'arbre du rotor comportent des cannelures propres à interdire la rotation de ladite armature par rapport audit arbre et permettant son insertion lors du montage, tout en assurant le blocage axial contre la poussée de l'armature fixe. Selon un autre aspect de l'invention, les deux armatures sont munies de moyens de solidarisation sur leurs faces en regard, comme des garnitures de friction. Selon une variante, l'armature rotative présente des ailettes de refroidissement. L'invention concerne aussi un moteur électrique autobloquant au repos équipé d'un tel frein électromagnétique. Selon un aspect de l'invention, le moyen de commande du dispositif d'activation du frein associé au moteur comporte un dispositif d'alimentation électrique qui alimente le dispositif d'activation, comme la bobine d'un électroaimant, selon une loi prédéterminée d'avance, de retard ou de simultanéité relativement à l'alimentation du moteur. Selon un autre aspect de l'invention, le moteur autobloquant est constitué dans une carcasse solide dont une extrêmité reçoit les parties fixes du frein et un moyen de support comme un palier ou une rotule de l'extrêmité correspondante de l'arbre du rotor. L'invention concerne aussi un actionneur comportant un réducteur en sortie d'un moteur électrique équipé d'un frein selon l'invention. Un tel actionneur comporte donc un réducteur de vitesse intercalé entre l'arbre de sortie (13) et le rotor muni desdits moyens de blocage au repos. Le frein à friction travaille ainsi en amont du réducteur. Son efficacité est de ce fait augmenté par le rapport de réduction du réducteur, ce qui permet de réduire l'encombrement global du dispositif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de réalisation particulier qui suit, faisant référence aux dessins où - la figure 1 représente une vue en coupe d'un moteur selon l'invention, en position de repos; - la figure 2 représente une vue agrandie des moyens de blocage, lorsque le moteur est en position de travail. La figure 1 représente une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un actionneur électrique selon l'invention. L'actionneur de l'invention comporte en série sur l'arbre tournant : un réducteur mécanique (3), un moteur électrique et un frein électromagnétique, l'ensemble étant constitué dans une carcasse unique. Le frein électromagnétique est représenté en position de repos. Le moteur comporte un rotor (1) solidaire de l'arbre d'entraînement (2). Dans le cas d'un rotor bobiné, l'alimentation du moteur s'effectue, de façon connue, par une partie (16) comportant les porte-charbons et les collecteurs. Le moteur présente à l'extrémité de l'arbre d'entrainement (2), opposée au réducteur (3), un frein électromagnétique (6 - 12) doté de moyens de blocage au repos, constitués par une armature rotative (4), dotée d'une garniture de friction, en forme de disque solidaire de l'arbre (2). L'armature rotative (4) est avantageusement réalisée en un matériau rigide et léger, par exemple en aluminium, afin de présenter une inertie faible. Elle présente sur l'une de ses faces des ailettes (5) assurant la ventilation du moteur électrique et/ ou de l'actionneur. Cette caractéristique additionnelle de l'invention est particulièrement intéressante, car elle permet de résoudre la question de la ventilation de la partie arrière du moteur électrique. Cette solution peut bien entendu conduire l'homme de métier à ajourer la carcasse dans des endroits convenables pour permettre la circulation de l'air de refroidissement brassé par les ailettes. L'armature rotative (4) est fixée sur l'arbre (2) par des moyens de liaison transmettant l'effort de l'armature rotative sur l'arbre du rotor. Ces moyens doivent permettre de plus d'insérer lors du montage l'armature rotative sur l'arbre (2) tout en bloquant axialement celle- ci contre les actions de poussée exercées comme on le verra plus loin par le frein électromagnétique. Ces moyens sont constitués dans un exemple de réalisation, par un emmanchement sur l'arbre du rotor qui présente des cannelures (15) propres à empêcher la rotation de l'armature (4) par rapport à l'arbre (2). De plus, ces cannelures s'arrêtent le long de l'axe dans la zone axiale de l'arbre du rotor dans laquelle l'armature rotative doit rester malgré toute poussée exercée par le frein. L'armature rotative (4) vient en contact, lorsque le moteur est au repos, avec une armature fixe (6), solidaire du stator du moteur électrique, par exemple par l'intermédiaire de la carcasse du moteur. L'armature fixe (6) est munie d'une garniture de friction (6) complémentaire qui est solidaire d'une pièce de freinage (7) réalisée en un matériau magnétique, par exemple en acier ou en fer doux. Les garnitures de friction constituent selon l'invention un mode préféré de réalisation d'un moyen de solidarisation des deux armatures quand les deux armatures viennent en contact. D'autres modes de réalisation sont possibles incluant des crabots, ou des engagements de creux respectifs, ou encore de languettes qui viennent s'engager dans des logements réciproques. Ces modes sont en particulier envisageable quand le frein n'est bloquant qu'une fois le moteur complètement arrêté. En fait, l'armature fixe est susceptible de se déplacer axialement le long de l'axe du rotor de façon à venir mettre en contact ou non les deux garnitures de friction. A cet effet, l'armature fixe (6) est montée sur un dispositif d'activation du frein. A cause de l'action de ce dispositif d'activation, l'armature fixe (6) est mobile entre une position de repos dans laquelle elle est en contact avec l'armature rotative, et une position de travail dans laquelle elle libère l'armature rotative. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif d'activation comporte au moins un électroaimant (11) et un moyen (10) produisant une poussée de l'armature solidaire du stator (dénommée "armature fixe (6)") vers l'armature solidaire du rotor (dénommée "armature rotative (4)"). Cette poussée tend à s'opposer à l'action de l'électroaimant (11). Dans un mode de réalisation préféré, le moyen produisant une poussée contre l'action de l'électroaimant est constitué par un ressort (10) qui exerce une pression sur la pièce de freinage (7) en direction de l'armature rotative (4). Le moyen produisant une poussée pourrait être constitué autrement, en particulier par un autre électroaimant. Le ressort (10) est guidé sur son diamètre extérieur afin de produire un effort parfaitement axial. A cette fin, le ressort (10) est inséré le long de l'arbre d'entraînement (2), sur un tube de guidage de son diamètre extérieur. Ce tube est en fait constitué par un alésage pratiqué dans la culasse qui contient l'électroaimant (11). L'électroaimant comporte au moins une bobine électrique (11) coaxiale avec l'arbre (2) produisant, lorsque elle est alimentée, un champ magnétique canalisé par une culasse (12) annulaire présentant une section en forme de "U". A titre d'exemple, la bobine (11) est constituée par bobinage de 690 spires de fil de cuivre d'un diamètre de 0,335 millimètres autour d'une carcasse isolante. Une telle bobine assure une force d'attraction de l'ordre de 140 newtons lorsqu'elle est alimentée sous une tension de 12 volts. La culasse présente un épaulement sur lequel vient en butée une première extrêmité du ressort (10) dont la seconde extrêmité vient en appui sur la face en regard de l'armature fixe, en fait la pièce de freinage (7). La pièce de freinage (7) est guidée en translation axiale par des axes de guidage (8, 9). Dans un mode de réalisation, les tiges de guidage présentent des premières extrêmités qui sont fixées sur la pièce de freinage (7) et des secondes extrêmités qui débouchent librement dans l'espace arrière ménagé dans la zone de support de palier de la carcasse. Le corps des tiges de guidage traversent des alésages, prévus à cet effet et pratiqués dans la culasse. La figure 2 représente le moyen de blocage dans la position de travail. Un dispositif d'alimentation électrique, non représenté, alimente la bobine de l'électroaimant (11). La pièce de freinage (7) est attirée par la bobine (11) dont l'action s'oppose à la pression exercée par le ressort (10). De ce fait, les surfaces en regard des garnitures de friction déposée sur l'armature rotative (4) et l'armature fixe (6) solidaire de la pièce de freinage (7) sont écartées et n'exercent plus de résistance susceptible de s'opposer à la rotation du rotor (1). A titre d'exemple, la course axiale de la pièce de freinage (7) est de l'ordre de 0,25 millimètres. La position du moyen de blocage en amont du réducteur (3) permet de démultiplier le couple de blocage par rapport aux efforts exercés sur l'arbre de sortie (13). Selon l'invention, le dispositif d'activation du frein est commandé par un moyen détectant l'état de repos de la machine électrique associée. En effet, pour assurer la stabilité au repos de la position du rotor, il faut faire travailler le frein seulement au moment de l'arrêt, ou peu après, ou peu avant que celui-ci est atteint. Le moyen de commande exécute donc une loi d'activation du frein en synchronisme, en retard ou en avance avec l'arrêt deau moteur électrique. Dans un mode préféré de réalisation, comme le frein est actif quand le dispositif d'activation n'est pas alimenté, la détection de l'état de l'alimentation électrique du moteur suffit à commander l'activation. On remarque que si le dispositif d'alimentation est commun au moteur électrique et au frein électromagnétique, si le moteur électrique n'est pas alimenté, le frein ne l'est pas non plus et il s'en suit que le frein est bloqué par manque de courant. Par contre, si le bobinage du frein et les parties électriques actives du moteur sont connectées en série, dès que le dispositif d'alimentation sera actif, l'effet du ressort sera combattu et le frein sera débloqué. Le dispositif d'alimentation du frein peut aussi comporter un moyen surveillant la mise en action du moteur électrique de façon à alimenter, simultanément, ou avec un bref retard, ou avec une brève avance selon les circonstances, la bobine de l'électroaimant (11), de façon à contrôler le déblocage du frein. Lors de l'assemblage du moteur selon l'invention, le réglage de la distance de travail entre l'armature rotative (4) et la garniture de friction (6), dénommé aussi entrefer, peut être réalisé comme suit: - après montage de l'induit, on vient présenter le rotor (1) muni de l'armature rotative (4). Lors de l'introduction, le ressort (10) se comprime. - On alimente ensuite la bobine (11) et on applique ensuite un couple mécanique sur l'arbre du moteur. On fait coulisser le rotor (1) jusqu'à obtenir un déblocage, et on fixe définitivement la carcasse du moteur dans la position ainsi déterminée. On conçoit ici que la disposition des moyens de l'invention permet donc bien d'atteindre l'un des objets de l'invention, à savoir la simplification des opérations de réglage de l'entrefer et la réduction de la divergence des caractéristiques électromécaniques du frein quand il est produit en grande série. On voit aussi apparaître le caractère unitaire de l'ensemble constitué par l'objet de l'invention. En effet, dans un mode de réalisation préféré, le moteur électrique représenté à la figure 1, est contenu dans une carcasse de forme générale cylindrique. Une extrêmité de la carcasse est munie de moyens d'attache du réducteur, et l'autre extrêmité est fermée par une cloche, qui vient de matière avec le corps cylindrique. Cette cloche sert, ainsi qu'il est connu, de logement au moyen de support, comme un palier ou une rotule, de ltextrêmité correspondante de l'arbre du rotor. Le frein est intercalé entre le rotor proprement dit et ce moyen de support à l'intérieur de la carcasse. La culasse du dispositif d'activation vient s'appuyer sur un épaulement correspondant de la carcasse. Dans un mode de réalisation, elle est attachée à cet épaulement par un moyen de fixation connu en soi. Il est bien évident que l'Homme de Métier sera à même de réaliser diverses variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Frein électromagnétique, du type comportant des moyens pour assurer au repos le blocage du rotor (1) d'une machine électique, caractérisé en ce que les dits moyens de blocage comportent une armature rotative (4), solidaire du rotor de la machine électrique et une armature fixe (6), solidaire du stator, ladite armature fixe étant montée sur un dispositif d'activation du frein, l'armature fixe étant mobile entre une position de repos dans laquelle elle est en contact avec l'armature rotative, et une position de travail dans laquelle elle libère l'armature rotative, le dispositif d'activation étant commandé par un moyen détectant l'état de repos de la machine électrique associée. 2 - Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'activation comporte au moins un électroaimant qui mobilise axialement l'armature fixe constituée par une pièce en un matériau magnétique mobile. 3 - Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'armature fixe est guidée par des tiges de guidage par rapport à la carcasse du stator. 4 - Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'activation du frein comporte un moyen produisant une poussée de l'armature solidaire du stator vers l'armature solidaire du rotor contre l'action de l'électroaimant. 5 - Frein selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen produisant une poussée de l'armature solidaire du stator vers l'armature solidaire du rotor contre l'action de l'êlectroaimant comporte un ressort qui exerce une pression de l'armature fixe sur l'armature rotative. 6 - Frein selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ressort est monté axialement le long de l'arbre du rotor, sur un tube qui permet son guidage axial le long de son diamètre extérieur, avec une première extrêmité appuyée sur une pièce solidaire de la carcasse entourant l'électroaimant, et une seconde extrêmité appuyée sur la face en regard de l'armature fixe. 7 - Frein selon la revendiction 1, caractérisé en ce que l'armature rotative est fixée sur l'arbre du rotor par des moyens de liaison transmettant l'effort de l'armature rotative sur l'arbre du rotor, qui permettent de plus le montage par insertion en translation de la dite armature rotative lors du montage du frein et le blocage axial de ladite armature rotative contre les actions de poussée produites par l'armature fixe. 8 - Frein selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de liaison transmettant l'effort de l'armature rotative sur l'arbre du rotor comportent des cannelures propres à interdire la rotation de ladite armature par rapport audit arbre et permettant son insertion lors du montage, tout en assurant le blocage axial contre la poussée de l'armature fixe. 9 - Frein selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux armatures rotative et fixe sont munies de moyens de solidarisation sur leurs faces en regard, comme des garnitures de friction. 10 - Frein selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature rotative présente des ailettes de refroidissement. 11 - Moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un frein électromagnétique selon l'une des revendications précédentes. 12 - Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de commande du dispositif d'activation du frein associé au moteur comporte un dispositif d'alimentation électrique qui alimente le dispositif d'activation, comme la bobine d'un électroaimant, selon une loi prédéterminée d'avance, de retard ou de simultanéité relativement à l'alimentation du moteur. 13 - Moteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que, pour alimenter simultanément moteur et frein, le dispositif d'alimentation électrique est connecté en série sur le moteur électrique, comme par exemple les enroulements du rotor, et l'électroaimant du frein. 14 - Moteur selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le moteur autobloquant est constitué dans une carcasse solide dont une extrêmité reçoit les parties fixes du frein et un moyen de support comme un palier ou une rotule de ltextrêmité correspondante de l'arbre du rotor. 15 - Actionneur électrique, caractérisé en ce outil comporte un moteur et un frein selon l'une des revendications précédentes, et un réducteur de vitesses accouplé entre son arbre de sortie et le rotor du moteur électrique. 15 - Actionneur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le réducteur est de type réversible.