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BREVET D'INVENTION DISPOSITIFS MOTEURS A MOUVEMENT ALTERNATIF JULIUS CHARGES WESTMORELAND
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Cette invention concerne des moyens pour produire une force motrice d'entraînement mécanique, et plus particulièrement une source de force motrice alternative mécanique économique et sous un faible vo- lume.
On connait de nombreux dispositifs pour produire un mouvement alternatif ; et ces dispositifs, dans le context propre, fournissent une puissance de sortie utile et suffisante. Toutefois, les dispositifs conçus antérieurement pour produire un déplacement alterna- tif, en général, sont grands et encombrants, utilisent un certain nom- bre d'éléments soumis à fortes ccntraintes, et sont incapables de four- nir une valeur suffisante de puissance utile sans dispositifs compliqués de "survoltage". Dans de nombreux cas, une source perfectionnée des déplacements alternatifs se révéleraient particulièrement avantageuse.
Par exemple, l'avion moderne a des intérieurs d'ailes qui doivent loger des sources d'énergie alternative pour actionner les surfaces de comman., de mobiles. Toutefois, les intérieurs d'ailes ne sont pas capables de loger des dispositifs, importants et encombrants. Aussi, doit on utiliser des sources de peu de volume.
Et, étant donné que les sources de faible encombrement ne fournissent de façon inhérente qu'une faible puissance de sortie, on doit fournir une force importante de "survoltage". Ce survol- teur de force a jusqu'ici utilisé un dispositif d'engrenage asymétrique et s'est révélé particulièrement sensible à l'usure, nécessitant son remplacement après de très courtes périodes de fonctionnement,
Nombre d'autres situations suggèrent le besoin d'une nouvelle source de mouvement alternatif peu encombrante dont on puisse tirer une puissance de sortie substantielle.
En conséquence, l'objet principal de cette invention est de fournir une source unique de déplacement alternatif, qui développe une puissance de sortie sensible sans nécessiter des dispositifs d'en- grenagesde survoltage, et qui soit do petite dimension.
Les objectifs, les particularités, et les avantages de cette invention seront mieux compris à la lecture de la description spécifique qui suit. La description spécifique doit être lue en ayant sous les yeux les dessins dans lesquels '
La Figure 1 est un exemple élémentaire d'un arbre entouré par une paire de moteurs disposés pour entraîner l'arbre afin de fournir un déplacement alternatif selon l'invention;
La Figure 2 est une vue en coupe transversale,prise axialement le long de l'arbre du dispositif,moins élémentaire que celle que l'on a représentée sur la Figure 1;
La Figure 3 est un dispositif représentant un emploi de l'in- vention dans un véhicule du genre chariot;
La Figure 4 représente un premier dispositif électrique pour
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fournir une variation particulière des vitesses des deux moteurs par lesquelles on peut amener un arbre à effectuer un mouvement alternatif selon cette invention;
La Figure 5 représente un autre dispositif électrique pour fournir un déplacement alternatif selon l'invention; et
La Figure 6 représente un autre dispositif électrique pour fournir un déplacement alternatif selon l'invention.
Sur la Figure 1 on a représenté un dispositif 10 que l'on peut commodément utiliser pour représenter l'opération élémentaire de cette invention. Le dispositif 10 comprend un premier moteur 12 ot un second moteur 13 qui tous deux sont positionnés pour entraîner un arbre 14. Le moteur 12 entoure une partie filetée 15 de l'arbre 14 tandis que le mo- teur 13 entoure une partie cannelée 16 de l'arbre 14. Le moteur 12 a une partie entraînée filetée intérieurement 17 laquelle engrène avec la par- tie filetée 15 de l'arbre 14.
Le moteur 13 a une partie entraînée canne- lée intérieurement 18 laquelle engrèno avec la partie cannelée 16 de l'arbre 14. Ces parties intérieures 17 et 18 de chacun des moteurs 12 et 13 sont disposées.pour se déplacer librement sur l'arbre 14.
Si les moteurs 12 et 13 fonctionnent ensemble dans un même sens de rotation (comme le représente la flèche qui entoure la partie centrale de l'arbre 14), l'arbre 14 tournera à la vitesse de fonctionnement des parties internes des moteurs 12 et 13, mais restera fixe axialement. Tou- tefois, si l'on fait fonctionner un des moteurs à une vitesse légèrement différente de celle de l'autre, l'arbre 14 avancera axialement.. Par exemple, si l'on fait fonctionner le moteur 12 à une vitesse légèrement supérieure au moteur 13, l'arbre 14 avancera vers la droite (comme on l'a représenté sur le dessin).
Si, d'autre part, on fait 'fonctionner le moteur 12 à une vitesse légèrement plus faible que celle du moteur.13, l'arbre 14 avancera vers la gauche (comme on l'a représenté sur le dcssin
Ce déplacement axial est provoqué de la façon suivante. La par- tie cannelée 16 de l'arbre est libre de se déplacer vers la droite et vers la gauche à l'intérieur de la partie d'entraînement interne 18 du moteur 13. La différence de vitesse de rotation entre les deux moteurs 12 et 13 amène la partie filetée 15 de l'arbre 14 et la partie filetée interne 17 du moteur 12 à se déplacer l'une par rapport à l'autre donnant naissance à un effet de vis. Autrement dit, le moteur 13 fait tourner l'arbre 14 à une vitesse particulière.
Si la vitesse du moteur 12 est identique, la partie filetée 15 de l'arbre tourne simplement dans les filets de la partie 17 entraînée par le moteur 12 Si la vitesse du mo- teur 12 varie par rapport à celle du moteur 13, les filets travaillent l'un sur l'autre et l'arbre se déplace vers la droite ou vers la gauche.
Si l'un ou l'autre des moteurs peut être commandé de telle fa- çon que l'on puisse faire varier sa vitesse de fonctionnement diffêrem- ment de la vitesse normalement constante de l'autre, alors l'arbre 14
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sera amené à se déplacer alternativement et axialement. Eu égard au pas des filets de la partie filetée 15, de la vitesse de la variation de la vitesse de rotation des deux moteurs 12 et 13, et de la dimension propre des différents éléments consécutifs, un mouvement alternatif prendra naissance qui peut fournir une force de sortie axiale sensible en compa- raison avec la puissance du couple des moteurs séparés.
On peut concevoir un certain nombre de méthodes pour amener le moteur choisi à modifier sa vitesse par rapport à la vitesse normale de rotation de l'autre moteur. (On peut également noter que dans des cas particuliers on peut faire coïncider la variation des vitesses des deux ' moteurs.) Une méthode qui ne nécessite sensiblement aucun appareil en dehors de l'appareil élémentaire divulgué sur la Figure 1 utilise un dispositif de contact mécanique (non représenté sur la Figure 1) pour limiter le déplacement axial de l'arbre. Il apparaîtra en examinant la configuration 10 que si le déplacement axial de l'arbre 14 est ralenti ou arrêté lorsque le moteur 12, par exemple, se déplace légèrement plus vite que le moteur 13, la partie filetée 15 exercera une force de frei- nage sur la rotation de la partie filetée 17 du moteur 12.
Cet effet de freinage obligera la partie filetée 17 du moteur 12 à réduire sa vitesse légèrement au-dessous de celle du moteur 13 et de la partie filetée 15, obligeant ainsi l'arbre 14 à inverser le sens de son déplacement, Quand l'inversion du déplacement se produit et que l'effet de freinage des filets 15 cesse de s'exercer sur le moteur 12, le moteur 12 augmente sa vitesse et oblige de nouveau l'arbre 14 à inverser le sens de son dépla- cement axial. Cette opération se répétera de façon continue, fournissant par là un déplacement alternatif unique.
Sur la Figure 2 on a représenté une vue en coupe transversale d'undispositif 20 tout-à-fait semblable à celui qui est représenté sur la Figure 1. Le dispositif 20 possède une partie d'arbre central le long de laquelle sont disposés un ensemble de moteurs à vis électrique 22, un ensemble de moteurs à cannelures électrique 23, et des ensembles pistons et valves supérieure et inférieurs respectivement 24 et 25. L'en- semble moteur à vis 22 et l'ensemble moteur à cannelures 23 comprennent chacun une partie châssis solide 30, une section stator 31, une section rotor 32,ot une partie entraînement d'arbre 33. La partie entratnement 33 de l'ensemble 22 est filetée et entoure le fi- letage correspondant d'une partie centrale de l'arbre 34.
La partie entraînement 33 de l'ensemble 22 est filetée sur la section rotor 32 et supportée pour tourner sur des roulements 36 et 37. La partie centrale de l'arbre 34 tourne à son extrémité supérieure sur un roulement 35.
La section 23 a une partie d'entrainement d'arbre 33 qui est cannelée intérieurement, supportée sur des roulements 40 et 41, et entou- re une partie centrale de l'arbre 38 cannelé , La partie centrale de
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l'arbre 38 et la partie centrale de l'arbre 34 sont réunies en une seule pièce. La partie 38 tourne à son extrémité intérieure sur le roulement 39. Les parties entraînement 33 ont été pour une raison de facilité agrandies à leur extrémité inférieure pour permettre le déplacement lon- gitudinal des parties plus grandes de l'arbre central.
Quand les deux moteurs sont entraînés à des vitesses différen- tant l'arbre central est soit avancé soit rétracté, selon le sens de la vitesse différentielle. Seule la différence de vitesse commande l'allure de la translation axiale de l'arbre pour un pas de vis donné. Ceci est particulièrement important parce que cela permet de choisir la vitesse absolue de chaque moteur en se basant sur des critères de conception autres que la vitesse axiale de l' arbre.
En commandant la vitesse différentielle entre les moteurs des ensembles 22 et 23, l'arbre peut être entraîné sélectivement dans un mouvement alternatif voulu quelconque. En outre, la poussée axiale peut être donnée soit au cours de la course ascendante ou de la course descen- dante pendant les deux courses à la fois. Dans le dispositif 20, la cour- se ascendante transmet une course motrice à l'ensemble de pompes supé- rieur 24 par l'intermédiaire d'un piston 46 pour assurer un échappement par l'intermédiaire d'un mécanisme de soupape comprenant une soupape déchappement 42.
Cette même course fait fonctionner un piston 47 dans l'ensemble de pompo inférieur 25 pour créer un vide et une admission par l'intermédiaire d'une soupape d'admission 43. D'autre part, la course opposée, descendante, et ,motrice de l'arbre central que termine une opé- ration d'échappement à l'ensemble de pompe intérieur 25 transmises par l'intermédiaire d'une soupape d'échappement 44 et d'une soupape d'admission 45 de l'ensemble de pompe supérieur 24.
Un certain nombre de variantes peuvent être apportées au dispositif de la Figure 2 pour des raisons de commodité ou d'efficacité.
Par exemple, la partie de l'arbre fileté 34 et la partie entraînement filetée intérieurement 33 peuvent être accouplées dans un ensemble de vis à roulement à billes tels que ceux que l'on connait bien dans la technique de façon à produire le maximum d'efficacité. Un ensemble de cannelures à roulement à bille peut être de la même façon employé pour la partie de l'arbre cannelé 38.
Les vitesses différentielles nécessaires pour provoquer les déplacements alternatifs peuvent être produites par l'application de moyens soit électrique soit mécanique. Par exemple, des commandes de vitesses de moteur électrique peuvent être utilisées avec l'un ou l'autre des ensembles 22 ou 23. Ces dispositifs sont relativement communs dans l'industrie. Une technique mécanique de commande de vitesses comprenant le moyen de contact ci-dessus mentionné ou un effet de freinage mécan- que appliqué à l'un des ensembles moteurs des deux ensembles 22 et 23
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peuvent également être utilisés.
Un fait particulièrement intéressant est qu'à aucun moment, pendant le fonctionnement du dispositif 2Q le sens de rota- tion de l'un ou l'autre moteur n'est modifié. Enoutre des moteurs à vitesse relativement élevée , la variation de la vitesse de rotation peut être réduite. De cette façon, plus de 90% de l'inertie de rotation de chaque moteur peut être conservée du fait du mouvement cynétique bien équilibré avec son effet de volant encastré.
Un fait d'un intérêt supplémentaire est que de très petits moteurs à vitesse élevée peuvent être utilisés pour fournir une force de sortie substantielle.dans un sens axial tout en n'occupant qu'un es- pace réduit. L'avance ou le retrait de l'arbre (et ainsi la force) sont déterminés par le produit du pas de vis circonférentiel et de la tan- gente à l'angle d'avance. En le multipliant par la vitesse ddifférentielie entre les deux ensembles moteur 22 et 23, on obtient la vitesse de trans- lation pour le déplacement axial. Ainsi, pratiquement n'importe quelle forme de déplacement alternatif peut être programmée par la conception du dispositif. En outre, un certain nombre d'unités qui ont des dépla- cement alternatifs différents peuvent être synchronisés pour fournir des programmes variables de courses motrices.
A noter que quelle que soit la variation de la vitesse du moteur/fournie, le système est indéréglable de façon inhérente . Ceci provient du fait que lorsque l'arbre d'un ensemble moteur particulier commence à se dérégler, les vitesses des deux ensembles moteurs changent par rapport l'une à l'autre dans un Sens tel que cela oblige l'ar- bre à se déplacer dans une direction opposée à celle prise à l'origine.
A ce moment, le moteur ou l'arbre se "déchargera"; et le mouvement in- verse s'amortira progressivement à mesure que le moteur reprend à nou- veau de la vitesse. Ainsi, il est virtuellement impossible de surcharger le dispositif.
La Figure 3 présente un dispositif 50 particulièrement utile qui comprend une configuration selon l'invention pour produire un dé- placement alternatif. Le dispositif 50 est un chariot ayant une struc- ture de plate-forme 51 sur laquelle est monté. un arbre 52 entraîné axialement à un ensemble moteur à vis 53 et un ensemble moteur à canne- lures 54. L'arbre 52 tourne dans un palier transversal 55 pour entra!- ner un ensemble de bielles 56. L'ensemble de bielles 56 est relié par l'intermédiaire d'un dispositif d'entraînement à vilbrequin à un axe 57 lequel entraîne une paire de roues 58.
A noter que les deuxmoteurs sont. conçus pour fonctionner avec une vitesse différentielle rotative élé- mentaire dans un sens tel qu'il entraîne l'arbre 52 dans la direction de la flèche représentée sur la Figure 3. Le mouvement axial de l'arbre 52 est limité par le mouvement en avant extrême de l'ensemble de bielles
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56. A ce point, l'inertie des roues 58 et de la charge placée sur l'ar- bre 52 (et ainsi sur l'ensemble du moteur à vis 53) oblige l'arbre 52 à se retirer et à. se déplacer dans la direction axiale opposée. Par ce moyen le dispositif fournit un mouvement alternat-!± fonctionnel pour fai- re tourner les roues 58, Ce dispositif est particulièrement utile pour entralner n'importe quel ensemble du genre chariot.
A noter que ce dis- positif peut également être incorporé avec les particularités d'une commande de vitesses différentielles pour les moteurs dans les applica- tions pour lesquelles on désire un maximum d'efficacité,
Le mouvement mécanique qui se limite lui-mame do dispositif de la Figure 3 est particulièrement avantageux en ce.qu'il n'exige au- cun montage extérieur aux deux ensembles moteurs pour effectuer la varia.. tion de vitesses d'un des moteurs. D'autres dispositifs ayant les mêmes caractéristiques apparaîtront facilement à ceux qui ont la pratique de la technique.
Par exemple, un marteau pneumatique dans lequel la course du marteau est limitée par un arrêtoir pourrait faire bon usage des élé- ments élémentaires du dispositif divulgué sur la Figure 3. Différentes pompes telles que celle qui est divulguée sur la Figure 2 peuvent uti- liser commodément le dispositif. /l'énoraie
A noter que dans chacun de ces dispositifs est fornie d'une façon sensiblement symétrique telle qu' on n'a pas à utiliser la caracté- ristique désaxée de l'engrenage survolteur et abaisseur fourni normale- ment pour dériver le mouvement alternatif. On élimine ainsi, l'usure dûe à l'utilisation de ces dispositifs de transfert de force décentrée.
Il vaut également d'être noté que le positionnement des mo- . leurs coaxialement sur 1'arbre alternatif quoi que pas absolument néces- saire au fonctionnement de l'arbre, permet de réduire la dimension du dispositif à tel point que le dispositif se révèlera pratique pour de nom- breux usages ou des dispositifs plus encombrants ne conviendraient simplement pas. Naturellement, il apparaîtra évident à ceux qui ont la pra- tique de la technique d'utiliser un arbre extérieur entraîné par des pignons hélicoêdaux et cannelés relies aux arbres centrales d'une paire de moteurs identiques. Toutefois, le montage coaxial catle mode de réalisation préféré.
Sur la Figure 4 on montre un dispositif destiné à provoquer le mouvement alternatif de l'arbre par un schéma électrique destiné à interrompre le trajet de l'arbre tournant dans son déplacement axial.
Le mode de réalisation 60 comprend un dispositif à moteur fileté 61 et un dispositif à moteur cannelé 62 lesquels entourent un arbre central 63. A mesure que l'arbre se déplace vers la gauche sous l'effet d'une vitesse différentielle entre les deux dispositifs 61 et 62, il atteint un point et il oblige un interrupteur 64 à se fermer.
La fermeture s'effectue par un déplacement effectif d'une partie d'un interrupteur 64
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en contact-avec l'autre partie par l'intermédiaire du déplacement de l'arbre 63 .La fermeture de l'interrupteur 64 introduit une dérivation de résistance dans la conduite venant de la source d'énergie 66, et par là fait varier le courant qui passe par le dispositif moteur 61, rédui- sant'la vitesse du dispositif à moteur fileté 61, et obligeant l'arbre 63 à se déplacer vers la droite (comme on le représente sur la Figure 4), Lorsque l'arbre 63 se déplace vers la droite, l'interrupteur 64 s'ou- vre et la totalité de l'énergie disponible en provenanoede la source 66 est de nouveau dirigée vers le dispositif 61, inversant le sens du fonc- tionnement de sorte que l'arbre 63 se déplace vers la. gauche.
Evidemment d'autres dispositifs, semblables à celui qu'on a représenté sur la Pigu- re 4, peuvent être construits dans lesquels un moyen d'interconnexion provoque une inversion de la direction.
Sur la Figure 5 on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif pour faire varier la vitesse différentielle des moteurs; toutefois, dans ce mode de réalisation le dispositif est électrique plu- töt que mécanique. Une source de courant continu (non représentée) est fournie entre les bornes 67 et 68 pour faire fonctionner les deux mo- teurs 69 et 70. Dans ce dispositif, l'induit 71 du premier moteur 69 est relié en série avec l'enroulement d'excitation 72 l'autre dispositif de moteur 70. Ce circuit entier étant parallèle avec le montage série de l'enroulement d'excitation 73 du premier moteur 69 et de l'autre enroulement d'induit 74. Quand l'arbre (non représenté) parvient à l'ex- 'tr6mité de sa course, le moteur fileté à vitesse supérieure 69 ralentit ot le courant qui passe dans l'enroulement d'induit 71 augmente.
Ce cou- rant passe Egalement dans les enroulements d'excitation 72 de l'autre moteur 70, faisant, par là, passer la vitesse du second moteur 70 au- dessus de colle du premier moteur 69 et provoquant le mouvement en sens inverse de l'arbre. L'essai alternatif est augmenté du fait de la diminu- tion correspondante du courant dans l'enroulement d'induit 74 du second moteur 70 lequel diminue le courant d'excitation du moteur 69 à vitesse maintenant inférieure provoquant une réduction supplémentaire de vitesse.
Il apparaîtra évident à ceux qui ont la pratique de la techni- que que l'on peut prévoir différents systèmes dans le circuit de la Fi- gure 5 pour les conditions do démarrage et le contrôle de la charge.
Toutefois, ces dispositions sont classiques.
La Figure 6 représente un second schéma de câblage qui utilisa l'effet de balayage bien connu des machines synchro-polyphasées pour exécuter les objectifs de l'invention. Ici un moteur 80 (représenté par dos enroulements 80 connectés en delta) est plus rapidement amenéàla synchronisation. Le moteur 60 à vitesse plus élevée est ensuite mis hors de synchronisation quand l'arbre (non représenté) arrive à la fin de sa course et applique un couple accru par l'intermédiaire des filets.
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L'autre moteur 81 entre juste en synchronisation quand cette arrivée fin de course se produit. Ce double effet oblige le second moteur 81 à renforcer l'opération de synchronisation en augmentant la vitesse de rotation de l'arbre quand la vitesse du moteur 80 ralentit. Quand le moteur 81 atteint une vitesse synchrone, la course de l'arbre est dans le sens opposé, et le cycle se répète dans le sens opposé quand l'arbre' atteint l'extrémité opposée de sa course et que le moteur 80 commence à se synchroniser. Evidemment, une étude complète de la course de la vitesse dépend de l'avance de la vis, des masses d'inertie du sys- tème, et des divers secteurs de charges pour ces applications particu- lieras.
Toutefois, toutes celles-ci sont bien connues de ceux'qui ont la pratique de la technique de la conception des moteurs (voir par exem- ple, "Machines Electriques", Pitzgerald et Kingsley, MaGraw-Hill. 1952).
Comme on l'a expliqué ci-dessus, le circuit complet devrait normalement comprendre des dispositions pour régler le démarrage et la charge.
Il est évident que ceux qui ont la pratique de la technique peuvent apporter au dispositif divulgué ci-dessus des modifications et des réglages divers et des aménagements supplémentaires sans s'écarter du champ d'application de l'invention.