Brevet FR3048829A1 — publié le 20170915

-1 - SYSTEME DE TRANSMISSION MAGNETIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des systèmes de transmission de couple communément appelés « à engrenages magnétiques ». L'engrenage magnétique est un dispositif de couplage magnétique qui présente un rapport de vitesse et de couple de transmission entre deux dispositifs à couplage magnétique, de telle sorte que: Ils présentent un rapport de mouvement de rotation ou de translation entre entrée et sortie, qui peut être égal à 1 dans le cas d'un accouplement magnétique pur. Ils ont un couple de traction ou limitation de facteur fonction de la force d'accouplement magnétique. Ils évitent tout contact physique entre l'élément moteur principal et les éléments entraînés. L'engrenage magnétique est composé d'aimants de type permanent et/ou de pièces ferromagnétiques aimantées par reluctance. Le système se compose de deux ou plusieurs éléments qui sont généralement en rotation mais pouvant être linéaires. Ces systèmes utilisent le principe d'un couplage entre deux parties mobiles non pas par des engrenages mécaniques mais par un couplage magnétique entre deux dents formées sur les parties mobiles ou fixes. Le pas de ces dents permet de créer des rapports de transmission pour réaliser des systèmes de transmission de vitesse par exemple. Les dents magnétiques agissent comme un aimant avec alternance périodique des pôles magnétiques opposés sur les surfaces de contact. Ces systèmes travaillent sans contact mécanique et sont donc à l'abri de l'usure, ont un très faible bruit et sont très fiables. Ces systèmes peuvent être utilisés dans des configurations qui ne sont pas possibles pour des engrenages, qui doivent permettre un contact physique entre les engrenages et peuvent fonctionner avec une barrière séparant complètement la force motrice de la charge. L'engrenage couplé magnétiquement peut transmettre une force dans une enceinte fermée hermétiquement sans l'aide d'une bague d'étanchéité, qui peut fuir. Il permet d'éviter la contamination biologique ou chimique. Cela peut être un avantage dans des environnements explosifs ou dangereux. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique différentes solutions de systèmes de couplage 30 magnétique. 3048829 - 2 - La demande de brevet internationale W01996022630 décrit un système de couplage magnétique comportant trois pièces dont au moins deux sont adaptées pour se déplacer l'une par rapport à l'autre, et dont au moins une est au moins partiellement équipée d'enroulements électriques permettant le transfert, à l'aide de forces magnétiques, d'une 5 énergie mécanique entre au moins deux des trois pièces, ainsi que la transformation d'une énergie électrique en énergie mécanique, et inversement, au moyen des enroulements électriques. La demande de brevet internationale PCT/GB2009/001365 décrit des engrenages magnétiques destinés à coupler un arbre d'entrée à un arbre de sortie et transmettre un 10 couple entre ceux-ci. Le niveau de couple est variable entre un couple nominal et un couple maximal grâce à des électro-aimants excités uniquement lorsque le couple est supérieur au couple nominal ou une valeur de couple prédéterminée. La demande de brevet internationale W02013029676 L'invention a pour objet d'améliorer la dynamique d'une transmission magnétique. À cet effet, 15 l'invention concerne une transmission magnétique comprenant un stator, un premier rotor qui présente des pôles magnétiques à excitation permanente, et un second rotor qui présente également des pôles magnétiques à excitation permanente. Les rotors sont couplés magnétiquement au stator. Une bobine est enroulée respectivement autour de chacun des pôles magnétiques du premier rotor. Les bobines des pôles magnétiques sont connectées 20 en série. Le montage série des bobines peut être alimenté en courant continu afin de faire varier le flux magnétique à travers les pôles magnétiques par rapport à l'état non alimenté. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car elles ne permettent pas de contrôler de manière dynamique le décrochage qui se produit lorsque les efforts 25 appliqués au système, notamment sur la sortie du système dépassent le couplage magnétique entre les organes du système, et produit un glissement par rapport à l'entrainement nominal des parties en interaction magnétique et des « sauts » de dents magnétiques. Il est bien sur possible d'augmenter la puissance magnétique en prévoyant une plus grande masse d'aimant. Cela entraîne un coût élevé car il s'agit d'aimants en terres rares. Il est aussi possible pour des solutions utilisant à la fois des aimants permanents et des électroaimants, comme dans la demande de brevet PCT/GB2009/001365, d'augmenter le 3048829 - 3 - courant électrique alimentant les bobines. Cela conduit alors à un échauffement préjudiciable au bon fonctionnement, et dégradant les performances des aimants permanents. Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus 5 générale un système de transmission entre un arbre d'entrée et un arbre de sortie constitué d'une partie ferromagnétique entrainante, une partie ferromagnétique entraînée et une partie ferromagnétique intermédiaire, ces trois parties étant mobiles relativement les unes par rapport aux autres, - l'une desdites parties présentant N pièces magnétiques interagissant avec une seconde 10 desdites parties présentant M pièces magnétiques, avec M#N, - ladite seconde partie interagissant avec une troisième desdites parties présentant P pièces magnétiques avec M=IN-P1 et en ce que - une partie au moins desdites pièces comportant un aimant permanent, 15 - et une partie au moins desdites pièces étant constituées par une dent polaire supportant une bobine électrique, caractérisé en ce que ledit système comporte en outre un moyen de détection des efforts appliqués entre ledit arbre d'entrée et ledit arbre de sortie et un moyen de pilotage de l'alimentation desdites bobines électriques pour commander la puissance magnétique 20 fournie par lesdits aimants permanents et les dents polaires excités par des bobines électriques, en fonction d'une valeur de consigne et du signal fourni par ledit moyen de détection des efforts. Selon une première variante, la partie extérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents entourées chacune par une bobine électrique 25 d'excitation, et supportant chacune un aimant permanent dont le sens d'aimantation est inversé pour deux dents consécutives. Selon une deuxième variante, la partie extérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, au moins certains tronçons s'étendant entre deux dents consécutives étant entourées par une bobine électrique dont les spires sont formées 30 dans un plan radial. 3048829 - 4 - Selon un premier mode de réalisation, la partie intérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, au moins certains tronçons s'étendant entre deux dents consécutives étant entourées par une bobine électrique dont les spires sont formées dans un plan radial. 5 Selon un deuxième mode de réalisation, la partie intérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, au moins certains tronçons s'étendant entre deux dents consécutives étant entourées par une bobine électrique dont les spires sont formées dans un plan radial. Selon un troisième mode de réalisation, la partie intérieure est constituée par une culasse 10 ferromagnétique présentant des dents, et en ce que seules les dents polaires correspondant à l'un des types de pôles (Nord ou Sud) comportant un aimant permanent et en ce que la partie intérieure comporte des bobines électriques d'excitation d'une partie au moins des pôles. Selon un quatrième mode de réalisation, la partie intérieure est constituée par une culasse 15 ferromagnétique présentant des dents, en ce que seules les dents polaires correspondant à l'un des types de pôles (Nord ou Sud) comportant un aimant permanent et en ce que la partie intérieure est dépourvue de bobine électrique. Avantageusement, ledit moyen de détection des efforts comprend un moyen de mesure de la force électromotrice circulant dans au moins une desdites bobines. 20 Selon une variante avantageuse, certaines dents au moins présentent un aimant permanent et sont également excitées par une bobine électrique. Selon un premier mode de réalisation, lesdites parties sont de forme tubulaire et présentent des dents s'étendant radialement. Selon un deuxième mode de réalisation, lesdites parties sont de forme discale et présentent 25 des dents perpendiculairement à un plan transversal. Selon un troisième mode de réalisation, lesdites parties sont de forme linéaire et présentent des dents perpendiculairement à l'axe de déplacement relatif desdites parties. Selon un mode de réalisation particulier, ledit moyen de pilotage comporte une interface d'entrée pour recevoir des signaux provenant de capteurs externes. 3048829 - 5 - Selon un autre mode de réalisation, ledit moyen de pilotage commande une augmentation du courant d'alimentation des bobines électriques en cas de détection d'un dépassement d'une valeur seuil d'effort. Selon un mode de réalisation particulier, pour assurer une fonction de type « fail-safe » 5 (position de sécurité en cas de défaillance) ledit moyen de pilotage commande une diminution du courant d'alimentation des bobines électriques en cas de détection d'un dépassement d'une valeur seuil d'effort. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, la puissance fournie par les seuls aimants permanents assure une capacité de transmission d'effort correspondant à un niveau de 10 sécurité en cas de défaillance, et en ce que le moyen de pilotage modifie la capacité de transmission d'effort par l'alimentation desdites bobines électriques. À titre d'exemple, ces bobines peuvent être alimentées par un courant afin de produire un champ magnétique de direction opposée à la direction du champ des aimants. Selon un mode de réalisation particulier, lesdits aimants permanents sont de type Alnico ou 15 ferrite. Dans le cas où les aimants utilisés sont de type Alnico, la magnétisation et démagnétisation peut être effectuée en cours de fonctionnement du système grâce à une alimentation adaptée des bobines. Par conséquent, les nombres de pièces N et P peuvent être modifiées, modifiant ainsi le rapport de transmission d'effort. Selon un autre mode de réalisation particulier, l'une au moins des culasses comporte des 20 canaux de circulation d'un fluide de refroidissement. Description détaillée d'exemples non limitatifs de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés correspondant à des exemples non limitatifs de réalisation, où : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation 25 d'un système avec des bobines entourant la culasse extérieure et une culasse intérieure non bobinée - la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation d'un système avec des bobines entourant la culasse extérieure et une culasse intérieure bobinée 3048829 - 6 - - la figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un troisième exemple de réalisation d'un système avec des bobines entourant la culasse extérieure et une culasse intérieure présentant des dents bobinées - la figure 4 représente une vue en coupe transversale d'un quatrième exemple de réalisation 5 d'un système avec des culasses intérieures et extérieures bobinées dans la surface des pôles - la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un cinquième exemple de réalisation d'un système avec des bobines toroïdales au rotor intérieur et au stator extérieur - les figures 6 et 7 représentent des vues en coupe respectivement longitudinales et 10 transversales d'une variante discale - la figure 8 représente un schéma de principe du circuit de pilotage. Description d'un premier exemple de réalisation La figure 1 représente d'un système d'entraînement de configuration tubulaire. Il comprend : - une culasse extérieure 1 réalisée en un matériau ferromagnétique, par exemple du fer doux 15 - une culasse intérieure 2 réalisée en un matériau ferromagnétique, par exemple du fer doux - une couronne intermédiaire 3. La culasse extérieure 1 présente une forme tubulaire avec des dents polaires 4 s'étendant radialement, vers l'intérieur du système. Ces dents polaires 4 présentent une section transversale rectangulaire ou trapézoïdale. 20 Dans l'exemple décrit, chaque dent polaire 4 porte un aimant permanent 5, aimantés selon une direction radiale. Les aimants permanents 5 présentent des polarités alternée. Si une dent polaire 4 porte un aimant permanent dont le pôle Nord est dirigé vers le centre du système, les aimants des deux dents adjacentes aimanté en sens inverse, avec le pôle Sud dirigé vers le centre du système. 25 Par ailleurs, la culasse est bobinée entre chaque dent polaire et présente des bobines toroïdales 6 entourant une section comprise entre deux dents polaires consécutives. Ces bobines sont alimentées en courant continu, en sens alterné. Le courant d'alimentation d'une bobine est de polarité inverse au courant d'alimentation des deux bobines adjacentes. 3048829 - 7 - Le courant d'alimentation peut éventuellement être modulé par un courant alternatif afin de compenser les variations de couple lors de la rotation des parties, lors des sauts de pas. Le sens d'alimentation est déterminé : - soit pour que le champ magnétique engendré dans les dents polaires 4 par les bobines 5 électrique 6 s'additionne au champ magnétique produit par les aimants permanents 5, ce qui permet d'augmenter de manière maîtrisée le couple de décrochage, notamment lorsque les efforts à transmettre sont importants - soit pour que le champ magnétique engendré dans les dents polaires 4 par les bobines électrique 6 soit de sens inverse au champ magnétique produit par les aimants permanents 10 5, ce qui permet de réduire de manière maîtrisée le couple de décrochage, par exemple pour commander un débrayage dans certains circonstances prédéterminées. Selon une variante, il est aussi prévu d'alimenter de manière distincte des séries de bobines, par exemple pour neutraliser une partie des dents polaires. Dans ce cas, certaines bobines sont alimentées pour engendrer un champ magnétique s'opposant à celui engendré par 15 l'aimant permanent de la dent associée à cet aimant. Cette solution permet de modifier le nombre de pièces actifs et donc le taux de transmission. Dans ce premier exemple de réalisation, la partie intérieure 2 est constituée par une pièce tubulaire portant un axe de transmission et des aimants permanents 7, 8 aimantés radialement, en sens alternés. Ces aimants sont en forme de tuiles et sont collés sur la 20 culasse 2 ou logés dans des cannelures orientées axialement. La partie intérieure 2 est coaxiale avec les autres parties. La couronne intermédiaire 3 présente des dents 9 s'étendant radialement, entre la surface extérieure de la partie intérieure 2 et la surface intérieure de la partie extérieure 1. Cette couronne est constituée en un matériau ferromagnétique, les dents sont éventuellement 25 surmoulées avec une matière plastique. Description d'un deuxième exemple de réalisation La figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation, se distinguant du précédent par le fait que la partie intérieure 2 est également bobinée. Les bobines 10 s'étendent selon des plans parallèles à un plan transversal contenant l'axe de 30 rotation. À cet effet, la partie intérieure présente des rainures longitudinales 11 prévue à la surface tubulaire extérieure et des rainures longitudinales 12 prévues à la surface tubulaire 3048829 - 8 - intérieure pour le passage des fils conducteurs formant des spires entourant la portion de la partie 3, entre deux dents polaires adjacentes. Comme pour les bobines de la partie extérieure, le sens d'alimentation est déterminé : - soit pour que le champ magnétique engendré dans les dents polaires par les bobines 5 électrique 10 s'additionne au champ magnétique produit par les aimants permanents, ce qui permet d'augmenter de manière maîtrisée le couple de décrochage, notamment lorsque les efforts à transmettre sont importants - soit pour que le champ magnétique engendré dans les dents polaires par les bobines électrique 1soit de sens inverse au champ magnétique produit par les aimants permanents 10 5, ce qui permet de réduire de manière maîtrisée le couple de décrochage, par exemple pour commander un débrayage dans certains circonstances prédéterminées. Selon une variante, il est aussi prévu d'alimenter de manière distincte des séries de bobines, par exemple pour neutraliser une partie des dents polaires. Dans ce cas, certaines bobines sont alimentées pour engendrer un champ magnétique s'opposant à celui engendré par 15 l'aimant permanent de la dent associée à cet aimant. Cette solution permet de modifier le nombre de pièces actifs et donc le taux de transmission. Description d'un troisième exemple de réalisation La figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un troisième exemple de réalisation, se distinguant du précédent par le fait que la partie intérieure est bobinées d'une manière 20 différente, les spires d'une bobine 13 entourant une dent polaire 14. Les bobines 15 s'étendent selon des plans parallèles à un plan transversal contenant l'axe de rotation. A cet effet, la partie intérieure présente des rainures 16 longitudinales pour le passage des fils conducteurs formant des spires entourant les dents polaires de la partie intérieure. 25 Description d'un quatrième exemple de réalisation La figure 4 représente une vue en coupe transversale d'un quatrième exemple de réalisation, où les bobines 26, 17 sont logées dans les pôles entre les aimants respectivement 18, 19, pour les parties respectivement extérieure 1 et intérieure 2. Description d'un cinquième exemple de réalisation 30 La figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un cinquième exemple de réalisation, se distinguant de la réalisation précédente par les bobinages des parties polaires 3048829 - 9 - intérieure 2 et extérieure 1. Les bobines 20 de la partie intérieure 2 et 21 de la partie extérieure 1 sont de forme toroïdale. Description d'un sixième exemple de réalisation Les figures 6 et 7 représentent des vues en coupe respectivement longitudinales et 5 transversales d'une variante de réalisation de forme discale. Le système de transmission est constitué par deux parties ferromagnétiques de formes discales 30, 40, présentant des dents ferromagnétiques 31, 32 ; 41, 42 de forme sensiblement triangulaires, entourées par des bobines respectivement 33, 34 ; 43, 44. Les dents ferromagnétiques 31, 32 ; 41, 42 sont par ailleurs pourvus d'aimants permanents 10 36, 37 ; 46, 47. La pièce intermédiaire 50 est un disque en matière plastique comprenant des pièces ferromagnétiques 51, 52 surmoulées. Ce disque 50 est guidé par rapport respectivement aux deux parties ferromagnétiques de formes discales 30, 40, par des roulements 35, 45. 15 Description d'un exemple de circuit de pilotage La figure 8 représente un schéma de principe du circuit d'une machine électrique et du système de transmission magnétique. Le système de transmission magnétique 50 est couplé à la machine électrique 51. Une des parties tournantes du système de transmission 50 est entrainée par le rotor de la machine 51 20 par une liaison mécanique. En plus du système de pilotage de la machine électrique, le système de transmission magnétique 50 est également piloté. L'alimentation des bobines des électro-aimants du système de transmission 50 peut être effectuée avec un courant continu ou alternatif. La machine électrique 51 est alimentée par un onduleur de tension réversible 52. Sur la 25 figure 8, la machine 51 est une machine triphasée et la commande de l'onduleur 52 est réalisée avec un circuit de commande rapprochée 53 dont les consignes sont émises par calculateur 54 exécutant un algorithme de contrôle/commande. Les consignes de courant sont déduites à partir des signaux provenant d'un capteur 56 de mesure du courant et d'un capteur 57 fournissant un signal fonction de la position du rotor de la machine. Le capteur 57 30 mesure la tension induite 60 dans les bobines du système de transmission magnétique 50. 3048829 -10- Sur la figure 8, les bobines du système de transmission magnétique 50 sont alimentées par un hacheur réversible 58. Celui-ci est commandé par un circuit de commande rapprochée 55 dont les consignes de courant sont calculées par l'algorithme de contrôle/commande 54. Le pilotage du système de transmission est possible grâce à l'estimation de l'angle interne à 5 partir de la tension induite dans le bobinage. L'angle interne permettra de prévenir le décrochage et ainsi connaître les consignes de courant d'alimentation des bobines en temps réel afin d'éviter le décrochage. Une marge de sécurité est à prévoir. REVENDICATIONS1. Système de transmission entre un arbre d'entrée et un arbre de sortie constitué d'une partie ferromagnétique entrainante 2, une partie ferromagnétique entraînée 1 et une partie ferromagnétique intermédiaire 3, ces trois parties 1, 2, 3 étant mobiles relativement les unes par rapport aux autres, - l'une desdites parties 1 présentant N pièces magnétiques interagissant avec une seconde desdites parties 3 présentant M pièces magnétiques, avec M#N, ladite seconde partie 3 interagissant avec une troisième desdites parties 2 présentant P pièces magnétiques avec M=IN-PI, et en ce que - une partie au moins desdites pièces comportant un aimant permanent, - et une partie au moins desdites pièces étant constituées par une dent polaire supportant une bobine électrique, caractérisé en ce que ledit système comporte en outre un moyen de détection des efforts appliqués entre ledit arbre d'entrée et ledit arbre de sortie et un moyen de pilotage de l'alimentation desdites bobines électriques pour commander la puissance magnétique fournie par lesdits aimants permanents et les dents polaires excités par des bobines électriques, en fonction d'une valeur de consigne et du signal fourni par ledit moyen de détection des efforts. 2. Système de transmission selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une partie extérieure constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents entourées chacune par une bobine électrique d'excitation, et supportant chacune un aimant permanent dont le sens d'aimantation est inversé pour deux dents consécutives. 3. Système de transmission selon la revendication 2 caractérisé en ce que la partie extérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, au moins certains tronçons s s'étendant entre deux dents consécutives étant entourée par une bobine électrique dont les spires sont formées dans un plan radial. 4. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une partie intérieure constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, au moins certains tronçons s 3048829 -12- s'étendant entre deux dents consécutives étant entourée par une bobine électrique dont les spires sont formées dans un plan radial. 5. Système de transmission selon la revendication 4 caractérisé en ce que la partie intérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, au 5 moins certains tronçons s s'étendant entre deux dents consécutives étant entourée par une bobine électrique dont les spires sont formées dans un plan radial. 6. Système de transmission selon la revendication 4 caractérisé en ce que la partie intérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, et en ce que seules les dents polaires correspondant à l'un des types de pôles (Nord ou 10 Sud) comportant un aimant permanent et en ce que la partie intérieure comporte des bobines électriques d'excitation d'une partie au moins des pôles. 7. Système de transmission selon la revendication 4 caractérisé en ce que la partie intérieure est constituée par une culasse ferromagnétique présentant des dents, en ce que seules les dents polaires correspondant à l'un des types de pôles (Nord ou 15 Sud) comportant un aimant permanent et en ce que la partie intérieure est dépourvue de bobine électrique. 8. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit moyen de détection des efforts comprend un moyen de mesure de la force électromotrice circulant dans au moins une desdites bobines. 20 9. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que certaines dents au moins présentent un aimant permanent et sont également excitées par une bobine électrique. 10. Système de transmission de couple selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites parties sont de forme tubulaires et 25 présentent des dents s'étendant radialement. 11. Système de transmission de couple selon la revendication précédente caractérisé en ce que la partie intérieure est entraînée par un rotor par une liaison mécanique. 12. Système de transmission de couple selon la revendication 10 caractérisé en ce que la partie extérieure est entraînée par un rotor par une liaison mécanique. 3048829 -13- 13. Système de transmission de couple selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que lesdites parties sont de forme discales et présentent des dents perpendiculairement à un plan transversal. 14. Système de transmission de couple selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes caractérisé en ce que ledit moyen de pilotage comporte une interface d'entrée pour recevoir des signaux provenant de capteurs externes. 15. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit moyen de pilotage commande une augmentation du courant d'alimentation des bobines électriques en cas de détection d'un 10 dépassement d'une valeur seuil d'effort. 16. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que ledit moyen de pilotage commande une diminution du courant d'alimentation des bobines électriques en cas de détection d'un dépassement d'une valeur seuil d'effort. 15 17. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la puissance fournie par les seuls aimants permanents assure une capacité de transmission d'effort correspondant à un niveau de sécurité en cas de défaillance, et en ce que le moyen de pilotage modifie la capacité de transmission d'effort par l'alimentation desdites bobines électriques. 20 18. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits aimants permanents sont de type Alnico. 19. Système de transmission selon la revendication 2 ou 4 caractérisé en ce que l'une au moins des culasses comporte des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement. 25