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" ACCOUPLEMENT ELECTRO-MAGNETIQUE ET SES APPLICATIONS A LA
REALISATION DE TRANSMISSIONS DE PUISSANCES "
La présente invention a pour objet un accouplement.. destiné à réaliser, par effet magnétique ou électro-magnétique la liaison angulaire entre un arbre meneur et un arbre mené et qui,nomme certains embrayages électro-magnétiques,comporte des moyens générateurs d'un champ magnétique qui tournent avec l'arbre meneur par exemple, et une masse de métal magnétique placée dans ce champ et solidaire de l'arbre pêne. Dans les embrayages de ce genre,
le générateur de champ magnétique est un bobinage inducteur en forme de couronne disposé dans une gorge d'un plateau monté coaxialement à l'arbre meneur de façon à constituer un électro-aimant dont les extrémités polaires sont les deux faces annulaires du plateau de part et d'autre de l'enroulement, et la masse de métal magnétique solidaire de l'arbre mené constitue armature mobile qui est appliquée sur le plateau meneur avec lequel il est lié angulairement par adhérence.
L'accouplement selon l'invention se distingue des embrayages du genre ci-dessus en ce que,au point de vue fonctionnel, la liaison entre les deux arbres n'est pas réalisée mécaniquement par adhérence ou par friction mais exclusivement par effet magnétique ou électro-magnétique. A cette fin,les deux extrémités polaires du générateur de champ magnétique que, pour simplifier l'exposé on supposera toujours solidaire de l'arbre meneur, sont prolongées de façon à constituer deux couronnes ooaxiales aux arbres à accoupler et entaillées de façon à présenter des saillies polaires disposées deux à deux d'pne couronne à l'autre suivant des rayons régulièrement répartis,
et entre lesquelles est engagée une couronne en métal non magnétique solidaire de l'arbre mené sur laquelle sont
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réparties des masses de métal magnétique de façon à consti- tuer l'équivalent d'une cage d'écureuil.
On voit immédiatement que toutes les saillies d'une même couronne ont la même polarité magnétique et que chacun des flux magnétiques élémentaires tend à passer de la saillie d'une couronne à la saillie opposée de l'autre couronne en recherchant la voie de perméabilité maximum qui correspond au cas où une masse de fer doux de la couronne menée est exac- tement placée entre les deux saillies polaires considérées:
Les deux arbres sont alors liés par un couple d'origine magné- tique et, si ce couple est au moins égal au couple résistant appliqué à l'arbre mené, les deux arbres tournent en synchro- nisme,
Si le couple résistant est supérieur à ce couple magnétique, il apparaît une différence de vitesse angulaire entre les deux arbres et le couple qui assure leur liaison n'est plus uniquement magnétique mais électro-magnétique, Il provient de la réaction du champ inducteur sur les courants induits qui prennent naissance dans la masse non magnétique de la couronne menée. La liaison entre les arbres peut alors être assimilée à un accouplement par frottement, ou plus exac- tement,par l'intermédiaire d'un fluide visqueux, et s'acconpagne d'un dégagement de chaleur.
Ce mode de transmission peut être utilisé en régime permanent ou semi-permanent si des dispositions sont prévues pour éviter un échauffement préjudiciable, mais en fait, il n intervient que pour les démar- rages ou dans les cas de variations sensibles de la charge,,
On peut prévoir sur les arbres à accoupler plusieurs inducteurs et plusieurs induits coaxiaux, ces derniers étant reliés à l'arbre mené par des intermédiaires cinématiques tels que, par excitation d'un seul déterminé des inducteurs, on puisse, pour une même vitesse angulaire et un même sens de l'arbre meneur, obtenir des vitesses angulaires distinctes de l'arbre mené et l'inversion du sens de celui-ci'.
D'autres particularités et avantages de l'invention seront exposés dans la description diaprés qui concerne diver- ses applications d'une réalisation dénommée "electro-volant".
Lux dessins annexés, et à titre d'exemple seulement :
La figure 1 est une coupe axiale partielle d'une première forme d'exécution d'un électro-volant.
La figure 2 est une section transversale partiel- le suivant la ligne II-II de la figure 1.
La figure 3 est un schéma montrant les positions angulaires relatives des saillies polaires menantes et des masses magnétiques menées.
La figure 4 montre les courbes de variations des couples.
La figure 5 montre, encoupe axiale partielle, un électro-volant à deux rapports de transmission;
La figure 6 est une vue perspective , avec coupe axiale partielle, d'un électro-volant à deux rapports de trans- mission et inversion du sens de l'arbre mené.
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La figure 7 montre en coupe axiale un intermédiai- re cinématique permettant, avec l'électro-volant de la figure 6, d'obtenir une marohe, avant et une marche arrière, sans démultiplication.
L'exemple de réalisation des figures 1 et 2 est destiné à fonctionner comme accouplement à sens constant et sans démultiplication, entre deux arbes coaxiaux , L'arbre meneur 1 porte, calé sur lui, unplateau 2 en métal magné- tique, en fer par exemple, dans lequel est ménagée une gorge 3, contenant''un enroulement inducteur 4 qui peut être excité par une source de courant continu telle.qu une batterie par exemple. Le courant peut être amené par un frotteur en contact avec une bague 5, et fermé par la masse. Au point de vue constructif, le plateau 2 peut évidemment être en plusieurs pièces réunies par boulons ou autres moyens équivalents.
Il peut être considéré comme le noyau d'un électro-aimant ; ses extrémités sont conformées de façon à constituer deux couronnes coaxiales 6 et 7 dont les faces en regard sont entaillées de façon à ménager des saillies polaires 8 et 9 régulièrement réparties et opposées deux à deux d'une couronne à l'autre'.
Dans une même couronne, chacune de ces saillies constitue un pôle dont la polarité est celle de la couronne. On peut suppo- ser que toutes les saillies 8 de la couronne extérieure sont des pôles plus, les saillies 9 de la couronne intérieure étant alors des pôles moins'µ
Sur l'arbre mené la est calé un plateau lo en métal non magnétique, qui porte une jante 11 dans laquelle sont encastrées et maintenues de façon à résister aux efforts centrifuges qui leur sont appliquées, des masses 12 en métal magnétique, en fer par exemple, dont le nombre et la réparti- tion correspondent à ceux des pales 8 et 9. La jante 11 n'engage entre les deux couronnes 6 et 7 avec le minimum d'entrefer.
Le plateauc 10 peut être en métal coulé, les mas- ses 12 étant préalablement disposées dans le moule et main- tenues.à l'écartement requis par une cage en métal non magné- tique qui reste enrobée à la coulée dans le métal du plateau 10. Ce mode de construction permet de réaliser un ensemble robuste qui ne comporte ni isolant ni bagues de prise de cou- rant; l'ensemble du plateau 10 peut être oomparé à un rotor en cage d'écureuil.
Il est en outre à noter que le plateau- inducteur 2 est lui-même d'une construction simple et robuste et ne comporte du'une seule bague isolée 5 pour amener le faible courant d'excitation à l'induit 4 ,encagé et parfaite- ment maintenus
La couronne non magnétique 11 qui constitue la cage d'écureuil peut être en alliage léger,
Le choix d'un tel matériau présente les deux avanta- ges suivants :
1.- Il permet de réduire l'inertie des masses menées et permet notamment d'accélérer le passage d'une vitesse à une autre.
2.-Un alliage moulable à point de fusion relativement bas permet d'incorporer et d'encastrer les barreaux magnétiques 12 dans la masse de l'alliage au cours de l'opération de mou- lage de la couronne':
La cage d'écureuilpeut comporter plus d'un conducteur par pôle apparent 8 du dispositif, ce qui peut aussi s'ex- primer en disant que le nombre des barreaux conducteurs de la cage d'écureuil est supérieur à celui des pales apparents 8.
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La cage d'écureuil peut aussi être constituée de manière à présenter les propriétés d'une cage multiple, ce qui peut être obtenu non seulement par une cage multiple véritable, mais encore par une cage simple dont les conducteurs sont de grande hau. teur radiale relativement à leur largeur. Les cages peuvent com. porter soit le même nombre de conducteurs, soit des nombres dif- férents, et ils peuvent être décalés relativement les uns aux autres.
On peut avantageusement incliner les conducteurs de la ou des cages d'écureuil par rapport aux plans radiaux corres- pondants, ainsi que les pôles apparents 8 de l'inducteur et la largeur des intervalles entre ces pôles apparents peut être supérieure à celle des dits pôles, Toutes ces dispositions interviennent soit pour augmenter le couple au démarrage et en cours de travail, soit pour rendre le fonctionnement silencieux,
Le fonctionnement est le suivant :
L'arbre moteur 1 et l'arbre mené la étant au repos, si le plateau 2 ne subit pas de contrainte trop importante dans le sens tangentiel, alors que l'arbre mené la est immobilisé, les masses 12 se placent entre les poas 8 et 9 (tracé pointillé de la figure 3) de façon à offrir au flux magnétique le maximum de perméabilité.
Si les pôles 8 et 9 sont soumis à un déplacement dans le sens de la flèche f et à un couple mécanique correspondant alors que les masses 12 sont immobilisées, la per- méabilité du circuit magnétique.diminue et une force tangentielle magnétique s'oppose au déplacement relatif.
Le couple magnétique augmente avec le déplacement angulaire, passe par un maximum qui correspond au cas de la figure pour fixer les idées, puis décroît. S'il tombe audessuas du couple résistant, un décrochage brusque se produit.
L'accouplement est calculé de façon que le couple ma- ximum magnétique soit supérieur au couple à transmettre, les masses 12 occupent alors une position intermédiaire entre la position en pointillé et la position en trait plein.
Ce qu'on vient d'exposer pour une paire de pôles 8 et 9 et une masse 12 se répète identiquement pour les autres pôles, et le couple qu'on peut transmettre augmente avec le nombre de pôles, limité toutefois par les fuites latérales et la nécessité d'avoir une marge suffisante de déplacement pour faciliter l'accrochage et empêcher un décrochage fortuit,
L'excitation par bobine unique 4 permet d'ailleurs de varier le nombre de pôles sans compliquer le bobinage ni gaspiller le fil.
Les deux arbres 1 et la ..eu repos étant liés magnétiquement de la façon indiquée si l'on maintient l'excitation et si lbn met progressivement l'arbre moteur 1 en mouvement, l'arbre récepteur la est entraîné et l'ensemble atteint la vitesse normale sans décrochage, Il y a synchronisation parfaite des rotations des deux arbres,
La mise en marche doit être progressive afin que l'ensemble du couple résistant et du couple provenant de l'inertie reste inférieur au couple magnétique maximum disponible.
Le problème de la mise en marche de l'arbre mené la
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peut se poser d'une façon différente,4
L'inducteur 4 n'étant pas excité, l'arbre moteur 1 tourner et l'arbre mené ..la est au repos. Il s"agit d'entraî- nere ce dernier progressivement, pour ce faire, on a recours à la seconde particularité de l'appareil.
Si l'on excite la bobine 4, les pôles 8 et 9 se déplacent par rapport aux masses 12. qui sont traversées par des flux variables et les circuits conducteurs qui les entoureht sonarcourus par des courants induits. La réac- tion. dutflux inducteur sur les courants induits tend. à entrai. ner le plateau 10 dans le même sens de rotation que l'induc- teur 4 monté sur l'arbre moteur 1. Le couple électro-magné- tique est fonction de la différence de vitesse des deux ar- bres 1 et la.
Il est évident que.'pour l'égalité des vitesses des deux arbres 1 et la il n'y a pas de courants induits et le couple d'origine électro-magnétique est nul. Ce couple ne prend naissance qu'avec le glissement et il commence par être proportionnel à ce dernier, C'est le cas de l'entratnement purement magnétique envisagé on premier lieu:
Quand le glissement augmente, les côurants induits augmentent et réagissent sur le champ inducteur qu'ils tendent à étouffer', Pour cette raison, le couple passe par un maximum pour un certain glissement dit glissement critique" et dimi- nue pour les glissements supérieurs à ce dernier La valeur du glissement critique correspondant au couple maximum dépend de la résistance ohmique opposée aux courants induits!:
Plus cette résistance est élevée, plus la valeur du glissement critique est grande;
Le couple maximum correspondant au glissement cri- tique est indépendant de la valeur de la résistance.
Ces différentes caractéristiques sont illustrées par la figure 4.
La caractéristique 0 Ml Nl correspond à une faible valeur de la résistance ohmique et la caractéristique 0 M2 N2 à une forte valeur de cette résistance. Le couple électro- magnétique provoque par effet Joule, un dégagement de chaleur dans l'induite La puissance dissipée est donnée par le pro- duit du couple par le glissement; Du fait de ce dégagement de chaleur$ le fonctionnement ne peut être envisagé que pour une durée limitée sauf si l'on prévoit des moyens de refroidisse- ment appropriés.
Pour un appareil donné, le couple magnétique maxi- mum et le couple éleotro-magnétique maximum sont liés par un rapport constant et sont tous deux sensible/ement proportionnels au carré du courant d'excitation.
Si l'arbre moteur 1 est seul en marche, le démar- rage progressif del'arbre mené la/puis l'accrochage/exigent des caractéristiques de l'induit 12 qui sont dans une cer- taine mesure contradictoires. .
Au moment du démarrage, la différence de vitesse. et par conséquent le glissement, atteint sa plus grande pâleur; la résistance ohmique de l'induit 12 doit donc être assez grande pour que le couple électro-magnétique devienne supérieur au couple résistante
Au moment de l'accrochage, au contraire, on doit
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chercher à réduire le glissement le plus possible, la réels- tance ohmique doit donc être aussi réduite que possible;. à
Pour conserver/l'accouplement, sa simplicité cons- tructive, on adopte une valeur de la résistance qui permette à la fois le démarrage et l'accrochage dans des conditions pratiques. Le démarrage a lieu en faisant tourner le moteur à faible vitesse. Pour faciliter l'accrochage il suffit de réduire momentanément la vitesse du moteur.
L'accrochage a lieu de lui-même en raison des oscillations de vitesse qui se produisent de part et d'autre de la valeur de la vitesse moyen- ne, En effet, quand la vitesse réalisée dans une oscillation se retranche de la vitesse moyenne del'arbre moteur, la glis- sement relatif entre les deux arbres devient nul pendant un instant.
La figure 5 montre une réalisation d'un électro- volant dans lequel on réalise : - la liaison des arbres meneur et mené en marche avant avec démultiplication.
- La liaison entre les deux arbres en marche arrière avec démmltiplication.
L'induit qui porte les masses magnétiques 12 des figures 1 à 3, est double, ses parties 12a et 12b s'enga- geant respectivement entre les couronnes polaires. 6ê7 et 6a-7a, de deux inducteurs 4 et 4a qui peuvent être excités séparément.
L'induit 4 tourne avec l'arbre moteur 1; il est excité par le frotteur 5a et la bague 5. L'induit 4a est fixe dans le carter 13; 11 est excité par la borne 4b, Un commutateur dont le levier de manoeuvre est montré en. 14 permet d'exciter l'inducteur 4a pour la marche arrière.
L'arbre mené la est accouple en permanence avec un plateau 15 tourillonné en 16 sur le plateau moteur 2 et portant des satellites 17 oonstamment engrenés, d'une. part avec une denture intérieure 18 solidaire du plateau 2, et, d'autre part, avec un pignon 19 calé sur le plateau 10 du double induit,
Lorsque l'inducteur 4 est seul excité, la liaison magnétique ou électro-magnétique entre les plateaux 2 et 10 a lieu dans les conditions exposées plus haut, et l'arbre mené 1 est entraîné en marche avant avec la démultiplication déter- minée parla raison du train épicycloidal décrit.
Lorsque l'inducteur 4 n'est plus excité, et qu'on excite l'inducteur 4a le plateau 10 est immobilisé et l'arbre la est entraîné en marche arrière avec démultipli- cation. L'arbre la peut être relié à un arbre lb par l'in- termédiaire d'un chagement de vitesse 19 qui peut par exemple être une boite de vitesse électro-mécanique.
L'électro-volant de la figure 6, comporte deux inducteurs 4 portés par le même plateau-moteur 2 et sépa- rément excité*'par des frotteurs 5a-5b et 5c. A chacun de ces inducteurs correspond un induit 12 et,lac du type décrit plus haut. L'induit 12 est calé sur.un arbre 20 qui, par les pignons de renvoi 22 et 23 celés sut le même arbre 25, commandent en marche avant, avec ou sans démultiplication,selon les ajplications, le pignon 24 calé sur 1 arbre mené la.
L'induit 12c est calé sur l'arbre 26 et par le pignon 27 le, pignon inverseur 28 et le pignon 29 calé sur 1-'arbre 25, commande l'arbre la en marche arrière;.
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Aux trains de pignons de la figure 6, on peut substituer le train à pignons d'angle de la figure 7. L'ar- bre 30 est calé sur l'induit 12a de la figure 6 et l'in duit 12 de cette même figure est,calé sur le pignon d'angle 31 relié par les pignons inverseurs 32 tourillonnés en 33 sur le carter fixe 34, au pignon 35 calé sur l'arbre mené la qui constitue prolongement de l'arbre 30. Quand l'induit 12c est mené il entraîne directement l'arbre la en marche avant, à la vitesse de l'arbre meneur 1.
Quand l'induit 12 est mené, il entraîne l'arbre la par les pignons 31, 32 et 35, c'esté- dire en marche arrière, sansdémultiplication;
Les applications de l'invention sont diverses et on pourrait encore en citer de multiples exemples: Dans tous les cas, le contrôle de l'éleotro-volant est ramené à.la manoeuvre de commutateurs et éventuellement de rhéostats, Les circuits d'excitation du ou des inducteurs peuvent être agencés selon les applications en vue de l'obtention de tel effet plus spé- coalement requis. On peut notamment, pour augmenter le couple d'accrochage, interposer un condensateur en dériva- tions sur l'inducteur ou la source d'excitation, cette der- nière peut être unebatterie et tenir lieu de condensateur ou capacité.