Brevet FR3110783A1 — publié le 20211126

L’invention concerne un dispositif d’enroulement/déroulement d’un lien adapté pour transporter un fluide ou transmettre de l’énergie et/ou des signaux, comprenant : - une bobine (2) adaptée pour recevoir ledit lien sous forme enroulée, - un arbre creux (3) traversant adapté pour le passage dudit lien ou fluide entre le joint tournant et la bobine, ledit arbre (3) étant solidarisé à la bobine (2) pour entraîner ladite bobine en rotation autour d’un axe longitudinal (X) dudit arbre, - un moteur synchrone à aimants permanents à entraînement direct, comprenant un stator portant des bobinages (10) adaptés pour être alimentés électriquement en triphasé et un rotor, dans lequel le rotor du moteur est formé par un disque central (24) de la bobine (2) portant les aimants permanents (11) en regard des bobinages (10) du stator. Figure pour l’abrégé : Fig 2 Dispositif d’enroulement/déroulement d’un lien L’invention concerne un dispositif d’enroulement/déroulement d’un lien adapté pour transporter un fluide ou transmettre de l’énergie et/ou des signaux. Etat de la technique Il existe de nombreuses applications industrielles dans lesquelles il est nécessaire de transmettre de l’énergie et/ou des signaux (par exemple, un courant électrique, des signaux optiques, une tension mécanique, un fluide, etc.) par une liaison tournante entre un premier élément et un second élément mobile par rapport au premier élément. Par exemple, le premier élément peut être une armoire fixée au sol, un bâti d’un robot, etc. et le second élément peut être un chariot ou un portique roulant au sol, un bras d’un robot, etc. L’énergie et/ou les signaux susmentionnés sont transmis par l’intermédiaire d’un câble électrique, d’une fibre optique ou d’un faisceau de fibres optiques, un câble mécanique, un conduit hydraulique ou pneumatique ou de tout autre moyen approprié, généralement désigné dans le présent texte par « lien ». Pour éviter que le lien ne se déploie de manière désordonnée lors du déplacement du second élément par rapport au premier élément, il est connu de disposer le lien sur une bobine d’un enrouleur monté sur le premier ou le second élément et comprenant une unité d’entraînement adaptée pour entraîner en rotation la bobine, de sorte à dérouler ou enrouler ledit lien de manière synchronisée avec le déplacement du second élément par rapport au premier élément. Un enrouleur doit s’adapter au plus près des applications pour lesquels il est utilisé, celles-ci étant très variées. En fonction du lien, de la hauteur d’installation, des vitesses et accélérations de déplacement du second élément par rapport au premier élément, le dimensionnement de l’unité d’entraînement doit être adapté. Une particularité des enrouleurs est la faible vitesse de rotation de la bobine mais la nécessité de délivrer un couple important. Il existe différents types d’unités d’entraînement destinées à répondre à ces contraintes techniques. Un premier type d’unité d’entraînement comprend l’association d’un moteur avec un coupleur magnétique, tel que décrit par exemple dans les documents FR2102600, FR2607333 et FR2899399. Cette conception autorise une certaine modularité à partir de moteurs et de coupleurs identiques, dans la mesure où plusieurs groupes moto-coupleurs peuvent être montés sur un même réducteur pour ajuster le couple en fonction de l’application. Un second type d’unité d’entraînement comprend l’association d’un moteur à fréquence variable et d’une unité de contrôle électronique. Ce type d’unité d’entraînement ne bénéficie pas de la modularité du premier type dans la mesure où le moteur doit être choisi avec la puissance requise pour l’application. Brève description de l’invention Un but de l’invention est de concevoir un nouveau type d’entraînement pour un enrouleur, permettant de procurer un couple élevé à basse vitesse. A cet effet, l’invention propose un dispositif d’enroulement/déroulement d’un lien adapté pour transporter un fluide ou transmettre de l’énergie et/ou des signaux, comprenant : - une bobine adaptée pour recevoir ledit lien sous forme enroulée, - un arbre creux traversant adapté pour le passage dudit lien ou du fluide entre le joint tournant et la bobine, ledit arbre étant solidarisé à la bobine pour entraîner ladite bobine en rotation autour d’un axe longitudinal dudit arbre, - un moteur synchrone à aimants permanents à entraînement direct, comprenant un stator portant des bobinages adaptés pour être alimentés électriquement en triphasé et un rotor, dans lequel le rotor du moteur est formé par un disque central de la bobine portant les aimants permanents en regard des bobinages du stator. Dans certains modes de réalisation, chaque aimant permanent présente une forme trapézoïdale, la hauteur de chaque aimant permanent s’étendant radialement par rapport à l’axe longitudinal. De manière particulièrement avantageuse, lesdits aimants permanents sont juxtaposés pour former une couronne. Dans certains modes de réalisation, la couronne d’aimants présente une largeur sensiblement égale à l’épaisseur du bobinage. Dans un mode de réalisation préféré, le moteur est à flux axial. Le dispositif peut en outre comprendre un variateur de vitesse électronique adapté pour faire varier le courant d’alimentation du bobinage du stator. Le dispositif comprend avantageusement en outre un joint tournant couplé à une extrémité de l’arbre creux opposée à la bobine et un système de contrôle/commande comprenant une unité de traitement couplée ou intégrée au variateur de vitesse électronique pour piloter le moteur en fonction notamment de la position de l’enrouleur et de la phase de fonctionnement. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : est une vue d’ensemble d’un dispositif d’enroulement/déroulement selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue en coupe du dispositif d’enroulement/déroulement de la figure 1 ; est une vue en perspective du dispositif d’enroulement/déroulement de la figure 1 avec une coupe partielle au niveau du moteur, selon une première forme d’exécution du moteur ; est une vue similaire à celle de la figure 3 avec une seconde forme d’exécution du moteur ; est une vue similaire à celle des figures 3 et 4 avec une troisième forme d’exécution du moteur. Seuls les éléments nécessaires à la description de l’enrouleur ont été représentés. Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 est une vue d’ensemble d’un dispositif d’enroulement/déroulement d’un lien selon une forme d’exécution de l’invention. Le lien peut être un câble électrique, une fibre optique ou un faisceau de fibres optiques, un câble mécanique, un conduit hydraulique ou pneumatique ou tout autre moyen approprié pour transmettre de l’énergie et/ou des signaux. Pour des raisons de lisibilité des figures, le raccord tournant, le dispositif de contrôle/commande et les éléments reliés par le lien n’ont pas été représentés. L’un de ces éléments peut être, notamment mais de manière non limitative, une armoire fixée au sol ou un bâti d’un robot. L’autre de ces éléments peut être, notamment mais de manière non limitative : un chariot ou un portique roulant au sol, ou encore un bras d’un robot. Le dispositif d’enroulement/déroulement (également appelé « enrouleur » dans la suite du texte) comprend un support 1 qui est adapté pour être rigidement solidaire de l’un des éléments. L’enrouleur comprend également une bobine 2 adaptée pour recevoir le lien sous forme enroulée. La bobine comprend : - un mandrin 20 s’étendant selon un axe de rotation de la bobine, et - deux ensembles de bras latéraux 21a, 21b définissant un volume d'enroulement du lien, adaptés pour contenir latéralement les spires dudit lien, fixés de part et d’autre du mandrin 20. Chaque ensemble de bras forme une joue. De manière alternative (non représentée), les joues de la bobine peuvent être pleines, chaque ensemble de bras étant remplacé par un disque de diamètre équivalent. La structure de la bobine est rigidifiée par des viroles, qui peuvent faire partie intégrante du mandrin ou des joues, à savoir : - une virole intérieure 22, située à une première distance du mandrin, et - une paire de viroles extérieures 23a, 23b dans laquelle chaque virole est fixée à au moins un bras d’une joue respective à une seconde distance du mandrin, supérieure à la première distance. La bobine comprend une surface portante adaptée pour recevoir les spires du lien, la spire intérieure étant au contact de ladite surface portante. Ladite surface portante peut notamment faire partie du mandrin ou de la virole intérieure. L’entreflasque, c’est-à-dire la distance entre les deux joues, est défini en fonction de la largeur du lien à enrouler sur la bobine. Pour permettre un enroulement/déroulement correct du lien, notamment dans le cas d'une bobine mono-spire, l’entreflasque est ajusté pour que les distances entre les joues soient adaptées au lien enroulé au niveau des extrémités proximales et distales des bras. L’entreflasque et la longueur des bras, qui définissent la capacité de la bobine, sont choisis en fonction de la longueur maximale du lien susceptible d’être enroulée sur la bobine. Selon les applications, le diamètre extérieur de la bobine peut être typiquement de l’ordre de 3 à 8 m. La bobine 2 est rigidement solidaire d’une extrémité d’un arbre 3 qui est monté mobile en rotation par rapport au support 1 par l’intermédiaire de roulements 30. Comme on le voit mieux sur la figure 2, l’arbre 3 est creux, de sorte à permettre le passage du lien entre la bobine 2 et le joint tournant (non représenté) qui est situé du côté de l’arbre opposé à la bobine. Ainsi, le lien est protégé vis-à-vis des éléments environnant l’enrouleur et ne risque pas d’être endommagé par ceux-ci. Dans le cas où le lien transporte un fluide, l’arbre creux lui-même peut constituer un conduit pour le fluide, des raccords avec le lien étant alors prévus aux extrémités de l’arbre. L’extrémité de l’arbre creux opposée à la bobine est couplée à un arbre creux du joint tournant (non représenté) coaxial avec l’arbre creux 3. L’arbre et la bobine sont entraînés en rotation autour de l’axe longitudinal X de l’arbre 3 par un moteur synchrone à aimants permanents à entraînement direct. Ce type de moteur est également appelé « direct drive motor » dans la terminologie anglo-saxonne. Ledit moteur comprend un stator qui est rigidement solidaire du support 1. Sur les figures, le stator est formé d’un seul tenant avec le support 1, mais il pourrait être formé d’une pièce distincte rigidement liée au support 1. Selon un mode de réalisation préféré, le stator supporte une pluralité de bobinages 10 alimentés en triphasé agencés autour de l’axe X pour produire un champ magnétique selon l’axe X dont la polarité alterne en fonction du sens du courant traversant les bobinages. Plus précisément, le stator comprend une pluralité de tôles magnétiques 100 séparées les unes des autres par des encoches radiales et chaque bobinage est constitué d’un ensemble 101 de spires de fils électriquement conducteurs glissés dans lesdites encoches. Le moteur comprend également un rotor mobile en rotation par rapport au stator. Le rotor supporte une pluralité d’aimants permanents 11. Les spires des bobinages 10 sont agencées dans une direction sensiblement radiale de sorte à créer un champ magnétique axial en regard des aimants permanents 11 du rotor. De manière particulièrement avantageuse, le rotor est constitué par un disque 24 solidaire de la bobine sur lequel sont fixés les aimants permanents. De manière avantageuse, ledit disque peut être confondu avec le mandrin 20. Pour optimiser la surface couverte par les aimants, les aimants présentent avantageusement une forme sensiblement trapézoïdale, avec une hauteur orientée radialement par rapport à l’axe X, la base la plus étroite étant positionnée plus près de l’axe X que la base la plus large. Les bases des aimants peuvent être droites ou incurvées. Les aimants permanents peuvent ainsi être juxtaposés pour former une couronne coaxiale avec l’axe X, en regard des bobinages. Ainsi, comme illustré sur les figures 3 à 5, le stator comprend des bobinages 10 de différentes hauteurs, et le rotor comprend des aimants permanents 11 trapézoïdaux agencés selon une couronne dont la largeur, qui correspond à la hauteur des aimants, est préférentiellement inférieure ou égale à la hauteur des bobinages (la hauteur d’un bobinage étant mesurée dans le sens radial par rapport à l’axe X). Le moteur est piloté par un variateur de vitesse électronique (non représenté) adapté pour faire varier la tension, la fréquence et le courant d’alimentation des bobinages du stator. Lesdits bobinages produisent un champ magnétique tournant à une vitesse proportionnelle à la fréquence d’alimentation, engendrant une rotation du rotor dont les aimants permanents produisent un champ magnétique. De manière avantageuse, on peut piloter le courant alimentant les bobinages, de sorte à faire varier le champ magnétique et donc adapter le couple produit par le moteur. Le variateur de vitesse électronique fait partie du système de contrôle/commande de l’enrouleur, qui comprend également une unité de traitement couplée ou intégrée au variateur pour piloter le moteur notamment en fonction de la position de l’enrouleur et de la phase de fonctionnement. Ledit système de contrôle/commande comprend en outre des capteurs adaptés pour mesurer le courant électrique circulant à travers les bobinages du moteur. L’unité de traitement comprend au moins un processeur configuré pour implémenter des algorithmes de calcul tenant compte de données d’entrées fournies notamment par les capteurs et une mémoire dans laquelle sont enregistrés des paramètres nécessaires à l’exécution des algorithmes. Dans certains modes de réalisation, l’unité de traitement est intégrée directement dans le variateur ; dans d’autres modes de réalisation, l’unité de traitement est intégrée dans un automate programmable extérieur au variateur (par exemple celui de la machine à laquelle est relié l’enrouleur). L’unité de traitement et le variateur peuvent être agencés à l’intérieur d’une armoire située à proximité de l’enrouleur. Un avantage d’un tel moteur à entraînement direct est qu’il permet d’éviter l’utilisation de tout élément de transmission, tel qu’un réducteur, et s’affranchit donc de toutes les problématiques générées par un tel réducteur, telles que notamment les éventuelles défaillances et jeux de fonctionnement du réducteur, ainsi que les pertes qu’il induit par son rendement. Par ailleurs, dans un tel moteur, il n’y a aucun contact entre le rotor et le stator. Il n’y a donc aucune usure mécanique, ce qui engendre une excellente fiabilité et une longue durée de vie. D’autre part, un tel moteur permet de générer des couples de courte durée plus importants que les technologies actuelles à moteur asynchrone, ce qui s’avère important pour permettre de réduire la durée de freinage de l’enrouleur en arrêt d’urgence (à puissance constante du moteur) ou de passer plus rapidement au-dessus du point d’alimentation de l’enrouleur, ceci requérant un fort surcouple, en comparaison du couple généré en utilisation courante, sur une période courte (typiquement inférieure à 5 secondes). Par ailleurs, l’enrouleur selon l’invention bénéficie de la grande dimension de la bobine pour permettre un agencement d’un grand nombre d’aimants permanents, et de placer lesdits aimants à une distance importante de l’axe X, afin de procurer le couple souhaité. Par exemple, on dispose typiquement d’un diamètre de l’ordre de 1,5 m pour disposer les aimants. La vitesse de rotation de la bobine est typiquement de l’ordre de 30 tr/min, mais peut plus généralement être comprise entre une vitesse presque nulle et 100 tr/min. Le couple produit par le moteur peut atteindre 8000 Nm. Comme on le voit sur les figures 3 à 5, l’architecture d’enrouleur selon l’invention se prête à une certaine modularité, tant en termes de taille des bobinages que de taille des aimants permanents. Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 3, le stator comprend des bobinages 10 présentant une hauteur h1, le sommet des bobinages dans la direction radiale étant à une distance d de l’axe X, et la hauteur des aimants 11 est sensiblement égale à l’épaisseur totale du bobinage, les aimants étant agencés en regard des bobinages. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le stator comprend des bobinages 10 présentant une hauteur h2 inférieure à h1. De préférence, le sommet des bobinages dans la direction radiale est la même distance d de l’axe X que dans les bobinages de la figure 3, et la base large des aimants 11 est située à la même distance de l’axe X que les aimants du rotor de la figure 3 afin de maximiser le couple généré. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le stator comprend des bobinages 10 présentant une hauteur h3 inférieure à h2. De préférence, le sommet des bobinages dans la direction radiale est la même distance d de l’axe X que dans les bobinages des figures 3 et 4, et la base large des aimants 11 est située à la même distance de l’axe X que les aimants du rotor des figures 3 et 4 afin de maximiser le couple généré. Il est possible d’ajuster l’emplacement des aimants et des bobinages par rapport à l’axe X en fonction de l’espace disponible et notamment de la dimension de la bobine. Il est éventuellement possible de procurer une certaine modularité en formant chaque aimant sous la forme de deux ou plusieurs portions trapézoïdales juxtaposées dans le sens radial, dont la somme des hauteurs forme la hauteur totale de l’aimant. Selon les applications, il est possible de former des aimants de hauteur maximale en utilisant l’ensemble des portions trapézoïdales, ou de former des aimants de hauteur minimale ou intermédiaire en utilisant seulement une partie des portions trapézoïdales et en les agençant en couronne. Naturellement, les modes de réalisation illustrés sont donnés uniquement à titre d’illustration ; l’homme du métier pourra utiliser tout autre nombre de spires pour le bobinage et dimensionner la taille et le nombre d’aimants en conséquence, en fonction de l’application et du couple et de la vitesse requis. Par ailleurs, bien que la description ait été faite en référence à un moteur à flux axial, le moteur pourrait, selon une alternative, être à flux radial. Dans ce mode de réalisation, le rotor comprendrait un tambour solidaire du mandrin 20 portant les aimants permanents et le stator porterait des bobinages alimentés en triphasé orientant le champ radialement. Les aimants pourraient être placés à l’intérieur ou à l’extérieur des bobinages. Dispositif d’enroulement/déroulement d’un lien adapté pour transporter un fluide ou transmettre de l’énergie et/ou des signaux, comprenant : - une bobine (2) adaptée pour recevoir ledit lien sous forme enroulée, - un arbre creux (3) traversant adapté pour le passage dudit lien ou fluide entre un joint tournant et la bobine, ledit arbre (3) étant solidarisé à la bobine (2) pour entraîner ladite bobine en rotation autour d’un axe longitudinal (X) dudit arbre, - un moteur synchrone à aimants permanents à entraînement direct, comprenant un stator portant des bobinages (10) adaptés pour être alimentés électriquement en triphasé et un rotor, dans lequel le rotor du moteur est formé par un disque central (24) de la bobine (2) portant les aimants permanents (11) en regard des bobinages (10) du stator. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque aimant (11) permanent présente une forme trapézoïdale, la hauteur de chaque aimant permanent s’étendant radialement par rapport à l’axe longitudinal (X). Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les aimants (11) sont juxtaposés pour former une couronne. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la couronne d’aimants (11) présente une largeur sensiblement égale à la hauteur des bobinages (10). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le moteur est à flux axial. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un variateur de vitesse électronique adapté pour faire varier le courant d’alimentation des bobinages du stator. Dispositif selon la revendication 6, comprenant en outre un joint tournant couplé à une extrémité de l’arbre creux (3) opposée à la bobine (2) et un système de contrôle/commande comprenant une unité de traitement couplée ou intégrée au variateur de vitesse électronique pour piloter le moteur en fonction notamment de la position de l’enrouleur et de la phase de fonctionnement.