Machine à courants de Foucault Il est bien connu que, lorsqu'un conducteur de forte section est parcouru par un courant alternatif, particulièrement lorsque ledit conducteur est en une substance magnétique, seules les surfaces périphéri ques du conducteur sont le siège des courants, la partie massive intérieure étant caractérisée par un courant nul et un champ magnétique nul, dès que la fréquence dépasse une certaine valeur.
Des phénomènes analogues se produisent lors que des conducteurs magnétiques sont le siège, non plus de courants alternatifs, mais de champs magné tiques alternatifs longitudinaux. Les pertes par cou rants de Foucault ne dépendent plus de la masse totale, c'est-à-dire de la section totale du métal du conducteur, mais de la surface dudit conducteur qui est parallèle aux lignes de force du champ ; seule une couche périphérique conduit les lignes de force comme les courants de Foucault, alors que la partie centrale d'un tel conducteur en est à peu près tota lement dépourvue.
Les éléments magnétiques des machines à cou rants de Foucault, et plus particulièrement les orga nes mobiles, sièges desdits courants de Foucault, des freins ou embrayages, sont donc mal utilisés dans la pratique actuelle du point de vue magnétique, élec trique et massique.
La présente invention a notamment pour but de remédier à de tels inconvénients.
A cet effet, l'invention a pour objet une machine à courants de Foucault, comportant un inducteur comprenant des pôles et au moins un organe en matière magnétique et électriquement conductrice qui est le siège de courants de Foucault, mobiles relativement, caractérisée par le fait qu'une partie au moins de la surface dudit organe qui est le siège des courants de Foucault, partie qui est parallèle aux lignes de force du champ inducteur, présente des saillies et des creux qui présentent eux-mêmes des surfaces parallèles auxdites lignes de force.
Les dessins annexés représentent schématique ment, à titre d'exemples, des formes d'exécution de la machine à courants de Foucault objet de l'inven tion.
Les fig. 1 et 2 montrent de façon comparative les surfaces d'un conducteur massif et d'un conduc teur divisé.
La fig. 3 montre en coupe partielle une machine comprenant un rotor et un stator homopolaire.
La fig. 4 montre partiellement et de profil la jante du rotor. Les fig. 5, 6 et 7 montrent, en section, différen tes formes de jantes.
La fig. 8 montre partiellement et de profil une machine hétéropolaire comprenant des pôles fixes. La fig. 9 montre une coupe faite par la ligne IX-IX de la fig. 8.
La fig. 10 montre partiellement, en développe ment, une telle jante en section selon la ligne X-X de la fig. 9.
La fig. 11 montre un rotor constitué par un dis que unique disposé entre deux pôles dentés d'un stator hétéropolaire.
La fig. 12 montre une variante de la couronne active d'un tel disque, vue en coupe, destinée à être associée avec un stator hétéropolaire latéral. La fig. 13 montre schématiquement en coupe la partie active d'un rotor situé entre deux séries de pôles d'un stator hétéropolaire.
La fig. 14 montre une vue schématique de la répartition des lignes de forces du champ magnéti que dans un élément de rotor annulaire. La fig. 15 montre une vue en plan correspondant à la fig. 14.
La fig. 16 montre une coupe radiale d'un élé ment annulaire.
La fig. 17 montre, en coupe, l'épaisseur de péné tration dans une rondelle cannelée.
La fig. 18 montre une coupe diamétrale d'un élément annulaire enrobé.
La fig. 19 montre une coupe faite par la ligne brisée XIX-XIX de la fig. 18. La fig. 20 montre une variante de la fig. 19. La fig. 21 montre, à plus grande échelle et de façon partielle, une autre variante. La fig. 22 montre une coupe radiale partielle d'une machine constituant un frein électromagnéti que.
La fig. 23 montre en coupe le détail d'un élément annulaire à l'emplacement de sa fixation.
La fig. 24 montre en coupe partielle une autre forme d'exécution.
Si l'on suppose parcourus par du courant alter natif quatre anneaux parallèles de section rectangu laire 1, comme on le voit sur la fig. 1, seules les régions superficielles 2 sont parcourues par les cou rants. Si l'on rapproche jusqu'au contact les quatre rondelles, la section utile de la région périphérique 3 parcourue par le courant devient nettement infé rieure à la somme des sections utiles 2. Il s'ensuit que la résistance effective est plus faible, avec des anneaux séparés qu'avec des anneaux en contact ; avec une fréquence de 50 périodes par seconde dans de l'acier, la résistance effective est le tiers de celle qui est obtenue pour les pièces en contact ; pour un même courant transporté, les pertes et la température atteintes sont plus faibles avec des anneaux séparés.
Le nombre des rondelles n'est naturellement pas limité à quatre.
Ces résultats sont bien connus et des phénomènes analogues interviennent lorsque la matière constitu tive des anneaux est une matière magnétique et que lesdits anneaux sont le siège de champs magnétiques alternatifs longitudinaux. Les pertes par courants de Foucault ne dépendent plus de la masse totale ou encore de la section totale du métal, mais des surfaces des masses métalliques, parallèles aux lignes de force ; seules les couches périphériques 2 condui sent les lignes de force comme les courants de Fou- cault, alors que les parties centrales en sont totale ment dépourvues.
La réluctance effective d'un ensemble d'anneaux est nettement plus faible lorsque les anneaux sont séparés et il est donc possible de faire passer dans des anneaux séparés un flux plus important que dans la section unique de valeur équivalente représentée sur la fig. 2, pour le même nombre d'ampères-tours inducteurs et un flux maximum également plus im portant, si l'on augmente les ampères-tours. Les per tes par courants de Foucault, qui varient avec une puisance du flux (3e ou 4e puissance, suivant les con ditions) sont donc susceptibles d'être sensiblement augmentées, avantage appréciable dans le cas de freins ou embrayages à courants de Foucault.
La division d'un rotor en rondelles séparées avec éloignement suffisant des parties séparées dans une telle machine peut donc présenter un avantage sérieux par rapport à un rotor massif, lesdites rondelles étant alimentées en parallèle et de façon radiale, par l'ex térieur ou par l'intérieur à l'aide d'un inducteur de champs magnétiques à pôles alternés successifs. Il convient que la distance de séparation des rondelles soit suffisante pour que chaque rondelle se comporte, du point de vue magnétique, comme si elle était isolée et seule. Pour les inductions moyennes, l'éloi gnement est de l'ordre de 3 à 6 mm.
Cependant, l'augmentation de la surface, paral lèle aux lignes de force du champ magnétique, d'un élément magnétique parcouru par des courants de Foucault peut être obtenue par d'autres moyens.
En effet, l'épaisseur de pénétration des courants de Foucault et du flux magnétique dans une pièce magnétique de ce genre peut aisément être calculée en fonction des caractéristiques électriques et magné tiques de la substance en cause et suivant la fré quence du champ alternatif. Cette épaisseur repré sente la profondeur pour laquelle le champ magné tique et les courants de Foucault seraient supposés avoir uniformément la valeur qu'ils possèdent à la surface externe et qui est la valeur maximum.
L'épaisseur de pénétration calculée de cette manière permet également de déduire le flux à partir de la valeur maximum de l'induction, la surface de passage du flux étant-théoriquement le produit de cette épais seur de pénétration par la longueur périmétrique de la surface parallèle aux lignes de force.
Etant donné que, pour augmenter ce flux pour un métal et une fréquence donnés, on ne peut pas jouer sur l'épaisseur de pénétration qui est constante, il faut agir sur la longueur de la surface parallèle aux lignes de force. On y parvient en créant sur cet élément des aspérités ou reliefs dont les dimensions sont au moins égales au double de l'épaisseur de pénétration.
Comme on le voit sur la fig. 3, le stator homo- polaire 4 à dents 5 est associé à un rotor compre nant un tambour 6 soutenu de place en place par des bras radiaux 7 ou par un voile en matière non magnétique. Les faces circulaires 8 et 9 du tambour 6 sont pourvues d'aspérités telles que des dents 10 radiales. De telles dents peuvent être situées en regard les unes des autres, comme montré sur la fig. 5.
La fig. 6 montre des dents 11 disposées de façon que l'épaisseur du tambour 6a reste cons tante, ce qui est avantageux aussi bien pour la cons tance du flux qui traverse l'anneau, pour l'absence de création de courants de Foucault parasites dans les surfaces en regard des dents fixes 5 non suscep tibles d'être efficacement refroidies, que pour éviter un effet de sirène du rotor dans le stator. La cou ronne 6, au lieu d'être monobloc, pourrait être cons tituée par l'association de deux rondelles 6b et 6c, comme montré sur la fig. 7, ou encore d'un nombre supérieur de rondelles, lesdites rondelles présentant des dentures situées face à face.
Par ces moyens, on obtient une augmentation de la longueur périmétri- que des surfaces parallèles aux lignes de force, favo rable aussi bien en ce qui concerne les phénomènes électromagnétiques que les possibilités d'évacuation thermique dans l'ambiance qui entoure la machine.
Comme montré sur la fig. 8, dans une machine hétéropolaire dont l'inducteur est constitué par des pôles imbriqués 12, 13 de polarités alternées et dont le rotor 14, cylindrique, peut être monobloc ou en plusieurs rondelles parallèles, la direction du champ dans chaque rondelle est tout d'abord radiale, comme montré en 15 par les flèches et ensuite circonféren- delle, comme montré en 16.
Pour augmenter la longueur des surfaces parallèles aux lignes de force, le rotor ou chaque élément d'un tel rotor présente des cannelures radiales 17 sur une certaine hauteur au voisinage de l'entrefer 18 et, sur la région externe du rotor, des cannelures circulaires 19. Les cannelu res sont ainsi disposées pour créer des augmenta tions de surface parallèlement aux lignes de force, en suivant approximativement lesdites lignes.
Dans cet exemple, les cannelures radiales ont une action de ventilation énergique si elles sont suf fisamment profondes, et ces cannelures sont d'ail leurs favorables à une fabrication bon marché par matriçage.
Dans une machine hétéropolaire, comme montré sur la fig. 11, par exemple, le rotor est constitué par un disque tournant devant des pôles inducteurs fixes de signes opposés successifs et les lignes de force dans ces disques sont, sur la majeure partie de leur parcours, dirigées suivant des circonférences concen triques à l'axe de rotation. Pour augmenter la sur face parallèle aux lignes de force, il suffit de ména ger dans le disque 20 de larges cannelures circulai res 21. On peut, en outre, ménager des cannelures 22 dans les surfaces polaires des pôles 23.
Sur la fig. 11 est représenté un disque compris entre deux séries de pôles symétriques 23 et 23a, mais il est évident que le disque pourrait coopérer avec une série de pôles placée d'un seul côté.
Pour tenir compte de la dilatation thermique du disque 20 en cours de fonctionnement, on prévoit des entrefers cylindriques externes 24 plus larges que les entrefers cylindriques internes 25 pour chacune des cannelures et rainures conjuguées. La valeur de la réluctance de l'entrefer en général ne subit d'ail leurs de ce fait pas d'augmentation appréciable du fait de l'augmentation de surface réalisée par les can nelures, surface à peu près doublée.
Comme on le voit sur la fig. 12, qui représente une jante de disque 26 destiné à être associé avec une série de pôles située d'un seul côté, on prévoit sur la face active du point de vue magnétique des cannelures 27 de grandes dimensions, supérieures de façon très nette à la profondeur de pénétration, et des cannelures 28 beaucoup plus fines, aménagées sur la face opposée, cannelures qui peuvent être sans inconvénient plus fines puisqu'elles n'ont pas de rôle du point de vue magnétique.
La fig. 13 représente une variante d'une jante de disque montée entre deux séries de pôles opposés par paires et de polarités alternées, cas analogue à celui de la fig. 11. Dans ce cas, les faces polaires des pôles 29 et 29a sont lisses. La jante active est divisée en trois rondelles 30, 31, 32, coaxiales et de diamètres croissants. Les extrémités de chaque ron delle présentent des ondulations 33 et 33a analogues aux ondulations 17, par exemple, alors que la région centrale de chaque rondelle est pourvue de canne lures circulaires 34. Des perforations 35 alignées ou non sont prévues pour coopérer au refroidissement par action centrifuge sur l'air.
L'augmentation de la surface parallèle aux lignes de force du corps siège des courants de Foucault dans un embrayage, par exemple, et plus particuliè- rement dans un frein, présente un autre avantage particulièrement appréciable: le même flux pouvant passer dans une section totale plus faible, il en ré sulte la possibilité de diminuer le moment d'inertie du. rotor, à flux égal, donc à couple égal.
On voit sur les fig. 14 et 15, deux pôles succes sifs 41 et 42 d'un stator hétéropolaire, c'est-à-dire un stator à la périphérie duquel se succèdent des pôles de signes contraires alternés ; ce stator est entouré par un rotor 43 constitué, par exemple, par la réunion d'anneaux dont un seul est représenté. Cet anneau 43 offre une section radiale approxima tivement triangulaire, par exemple, pour présenter, à masse égale, une face 44 (fig. 16) étendue en regard des surfaces polaires 45 et 46 des pôles suc cessifs.
Les lignes de force magnétiques 47 qui vont du pôle 41 au pôle 42 intérieurement à l'anneau 43, ont des parcours circulaires concentriques à l'anneau sur une grande partie de leur trajet, ces parcours étant encadrés par des raccords orientés perpendicu lairement à la face 44 dans la région qui fait face aux surfaces polaires 45 et 46, comme ci-dessus mentionné.
Lors du passage d'un pôle 41 au pôle 42 suivant, le flux magnétique, en chaque point de l'anneau 43, a changé de sens et les courants induits dans l'an neau 43 sont des courants annulaires, c'est-à-dire localisés à la périphérie de chaque anneau 43, le long de son périmètre transversal.
Comme on le voit sur la fig. 17, l'épaisseur de pénétration des courants de Foucault est limitée à la zone 43c, les cannelures ayant à la fois une action électromagnétique et une action thermique contri buant à augmenter la puissance de freinage.
Pour augmenter encore cette puissance, c'est-à- dire de façon correspondante, l'intensité des cou rants de Foucault, chacun des anneaux 43 peut être enrobé sur la totalité de sa surface ou non, à l'aide d'une couche de matière à haute conductibilité élec trique telle que cuivre ou aluminium.
Cet enrobage peut affecter la totalité du péri mètre de chacune des rondelles ou une partie seu lement du périmètre. Il y a intérêt, compte tenu de l'allure annulaire des courants qui circulent, à ce que les faces longues, c'est-à-dire les faces latérales de chaque rondelle, soient garnies de la matière à haute conductibilité ; la face 44, pour des raisons d'étroitesse d'entrefer, peut rester non enrobée.
Comme on le voit sur les fig. 18 et 19, la ron delle 43a reçoit un enrobage 48. La surface latérale 49 apparente de chaque face de la rondelle 43a est pourvue de cannelures 50, ces cannelures pou vant être faites à l'aide d'un outil ou être venues de fonderie sur l'enrobage seul (fig. 19). La face même de la matière magnétique qui constitue la rondelle 43b peut présenter des cannelures 51 (fig. 20), l'en robage 48b conservant une forme correspondante cannelée à l'extérieur.
On peut aussi ménager des cannelures de grandes dimensions dans la surface de la rondelle en matière magnétique 43d et avoir de fines cannelures sur la surface de la couche non magnétique 48c à haute conductibilité électrique et thermique (fig. 21).
Chacune des rondelles est pourvue, de préfé rence, de séries de trous 52, répartis sur des cercles concentriques et décalés les uns par rapport aux autres de façon à se trouver sur des rayons diffé- rents.
Dans ces conditions, le revêtement externe à haute conductibilité constitue un circuit annulaire de faible résistance dans lequel des courants induits atteignent des intensités très élevées. L'enrobage de métal à haute conductibilité peut être relié, grâce aux trous 52, convenablement remplis de la même ma tière à haute conductibilité, à des conducteurs qui sont contenus dans lesdits trous 52, conducteurs qui coopèrent au raccourcissement des circuits parcou rus par les courants induits, ce qui diminue la résis tance desdits circuits, augmente l'intensité desdits courants et augmente enfin la valeur du couple de freinage.
Pour éviter que les courants induits dans les conducteurs qui sont contenus dans ces trous 52 soient en phase et s'annulent mutuellement avec, comme conséquence, le fait que ces conducteurs ne contribuent pas à l'accroissement du couple résis tant, il convient que les différentes séries de trous 52 soient décalées dans le sens du mouvement (fig. 18).
L'aménagement des cannelures 50 est effectué aussi bien du point de vue thermique que du point de vue magnétique.
En effet, les cannelures ont un rôle thermique considérable puisqu'elles permettent une augmenta tion de la surface d'échange et plus encore une augmentation de rendement de l'échange par créa tion de turbulences violentes dans l'écoulement des filets d'air de refroidissement.
Par ailleurs, du point de vue magnétique, elles augmentent le périmètre transversal des rondelles. De ce fait, l'épaisseur de pénétration étant considérée comme déterminée, la section de passage du flux magnétique, c'est-à-dire le produit du périmètre transversal par l'épaisseur de pénétration, est forte ment augmentée, à condition que les facettes des- dites cannelures aient des dimensions au moins éga les ou tout au moins du même ordre de grandeur que l'épaisseur de pénétration elle-même (fig. 17).
Le couple résistant varie très rapidement en fonction du flux magnétique (la fonction qui lie ces deux quantités est au moins du troisième degré) et l'on constate que les cannelures permettent de laisser passer un flux plus considérable, d'où résulte une augmentation marquée de la valeur du couple de freinage, malgré l'augmentation apparente de la résistance du circuit parcouru par accroissement de sa longueur, puisque cette augmentation de résis tance varie seulement de façon linéaire avec l'aug mentation de longueur.
Par exemple, l'épaisseur de pénétration étant d'environ 2,5 mm avec de l'acier ordinaire et une fréquence de 100 périodes par seconde, on peut être assuré d'un gain appréciable pour cette fréquence et encore plus marqué pour des fréquences supérieures, à la condition que la lar geur des facettes des cannelures ait au moins 2 mm.
La ventilation des rondelles ainsi constituées, enrobées ou non d'une couche plus conductrice que la matière magnétique qui les constitue, peut être assurée par différents moyens et, en particulier, comme montré sur la fig. 22 et sur la fig. 23, à l'aide d'aubages 54. Dans le cas de la fig. 22, les rondel les 43, cannelées et pourvues d'aubages, sont mon tées sur le voile 55 d'un rotor à l'aide de boulons 56 et d'entretoises 57, des surfaces planes 58 étant aménagées dans la surface des rondelles pour per mettre l'appui des entretoises 57 et des écrous 59 de serrage.
Il y a avantage à aménager dans les pôles 60 du stator hétéropolaire à dentures croisées 61 des gorges 62 qui améliorent la répartition de l'air de refroidissement à l'admission entre les ron delles.
Sur la fig. 24 est représentée une forme d'exécu tion dans laquelle les rondelles 43e sont réunies de façon non démontable à une jante 63 dans laquelle sont pratiquées des perforations 64 allongées selon des arcs de cercle et qui servent d'entrée pour l'air de refroidissement, des aubes 64a aspirant et expul- sant ce fluide, les cloisons qui subsistent entre les perforations 64 successivement ayant seulement un rôle de soutien mécanique et un rôle négligeable du point de vue magnétique.
Pour permettre une action constante et bien répartie du flux magnétique sur toutes les rondelles, les dents du stator présentent des faces d'allure sen siblement rectangulaire. De cette façon, des flux égaux pénètrent dans toutes les rondelles. Il convient également, en outre, que la section d'entrée du flux soit au moins égale à la section radiale de la matière magnétique de la rondelle.
Le fait de prévoir une section radiale à base élargie pour chaque rondelle permet d'augmenter le nombre de pôles du stator, entrainant l'augmenta tion de la fréquence des courants induits et l'aug mentation conséquente du couple de freinage, pro portionnellement à la racine carrée de ladite fré quence.
Les machines ainsi construites peuvent produire des puissances de freinage très élevées, puissances qui se trouvent conservées aux basses vitesses de rota tion.