Accouplement à induction électromagnétique La présente invention concerne un accouplement à induction électromagnétique, destiné par exemple, à transmettre un couple d'un arbre d'entraînement à un arbre commandé, ou à agir comme frein électro dynamique sur un arbre commandé.
Dans les accouplements à induction électromagné tique, le flux d'induction dans le stator engendre dans une cage des courants induits qui produisent un flux opposé qui réduit la valeur effective du flux d'induc tion; ce flux induit aussi une composante réactive, de sorte que l'accouplement présente une caractéris tique couple-vitesse telle que, pratiquement pour toute valeur du couple de charge, il y a deux angles de glissement possible. De ce fait, la vitesse de ces accouplements dépend, pour n'importe quel couple, des conditions existant avant l'application du nouveau couple. Un accouplement de ce genre est instable de nature.
Afin de réduire les courants déwattés du sta tor, on utilise des accouplements à courants de Fou cault comprenant un grand nombre de pôles provo quant une variation à haute fréquence de l'intensité du champ, ce qui réduit le flux de fuite entre le stator et la cage. Les pertes par courants de Foucault sont alors élevées et la valeur effective du flux très faible. On augmente le rendement et on réduit la déforma tion du flux en évasant les pôles du rotor de façon à obtenir une forte concentration du flux dans l'en- trefer, et la cage doit donc être en matière magné tique ou doit être très peu épaisse, et être disposée dans un entrefer étroit séparant le rotor et le stator.
Des accouplements de ce genre sont aussi instables dans une grande partie de leur gamme de couples. Afin d'augmenter la stabilité, on a utilisé une cage en acier mais ceci exige des tolérances d'usinage très étroites et un équilibrage dynamique très précis, le rendement restant cependant faible. La présente invention a pour but de procurer un accouplement de fabrication simple et économique, ayant un rendement supérieur au rendement des accouplements connus jusqu'ici.
L'accouplement à induction électromagnétique objet de l'invention comprend un rotor en matière magnétique présentant plusieurs pièces polaires en saillie vers un stator qui est aussi en matière magné tique et disposé coaxialement avec ledit rotor mais espacé de celui-ci de façon à déterminer avec ledit rotor, entre les pièces polaires en saillie et le stator, un entrefer pratiquement annulaire, un organe rotatif présentant une partie pratiquement cylindrique dis posée dans ledit entrefer,
et des moyens fixés audit stator pour produire un champ magnétique d'excita tion dont les lignes de force engendrent un flux de forme générale toroïdale dont l'axe coïncide prati quement avec l'axe de rotation du rotor.
Cet accouplement est caractérisé en ce que l'or gane rotatif est constitué entièrement en matière non magnétique conductrice de l'électricité, en ce que les pièces polaires sont disposées axialement uniquement à une des extrémités du rotor, en ce que lesdits rotor et stator comprennent chacun un corps s'étendant axialement à partir dudit entrefer annulaire dans la même direction,
ces corps étant accouplés magnéti- quement dans une zone axialement éloignée dudit entrefer et dans laquelle le flux magnétique s'étend radialement à travers un espace libre d'épaisseur uni forme destiné à permettre la rotation du rotor,
et en ce que le flux magnétique passe en direction axiale dans lesdits corps du rotor et du stator et radiale- ment d'une part à travers les pièces polaires et d'au tre part à travers une partie s'étendant radialement entre lesdits corps à leur extrémité éloignée dudit entrefer, le tout étant agencé de manière que les pièces polaires en saillie aient la même polarité et que le flux magnétique passe une seule fois à travers la dite partie cylindrique de l'organe rotatif disposée dans l'entrefer annulaire et soit normal à cette par tie,
de manière que la génération de courants para sites dans l'organe rotatif et les pertes qui en résultent soient réduites au minimum.
Un tel accouplement à induction peut être cons truit soit avec un rotor annulaire entourant le stator et pourvu de pièces polaires en saillie vers l'intérieur, soit avec un stator annulaire entourant un rotor pour vu de pièces polaires en saillie vers l'extérieur.
Le flux magnétique toroïdal peut être produit électriquement par une ou plusieurs bobines d'exci tation alimentées par du courant continu ou alterna tif. Ou bien, le flux magnétique toroïdal peut être produit par un ou plusieurs aimants permanents. Quand on utilise un courant d'excitation électrique, le champ magnétique peut être modifié, par ' exemple si l'on désire faire varier la vitesse ou le couple de l'accouplement. Il est aussi possible de faire varier l'intensité du champ magnétique dans le cas de l'utili sation d'un ou de plusieurs aimants permanents, soit en réglant deux ou plusieurs aimants entre eux, soit en disposant un shunt réglable ou un entrefer réglable dans le ou les aimants.
Le corps du rotor peut être constitué par une pièce en fer généralement cylindrique dont la lon gueur axiale est plus grande que la longueur axiale des pièces polaires en saillie radiale à une extrémité de ce corps. Les pièces polaires peuvent être consti tuées par un empilage de tôles de fer et présenter la forme de doigts radiaux s'évasant circonférentielle- ment vers l'extérieur, de façon que la dimension cir- conférentielle des extrémités des pièces polaires soit plus grande que le reste de ces pièces.
Quand l'ac couplement comprend un rotor entouré d'un stator cylindrique, le rotor peut être constitué par un noyau en fer généralement cylindrique portant, à une extré mité, des pièces polaires en fer feuilleté.
L'organe rotatif, en une matière non magnétique conductrice de l'électricité, peut être constitué en cuivre, en aluminium ou en un alliage de cuivre ou d'aluminium ; il peut cependant être constitué en tous métaux non ferreux.
Le corps du stator peut être constitué par une pièce cylindrique en fer magnétique ou en tôles. Dans les cas où le stator entoure le retor, le stator peut consister en un empilage de tôles concentriques dis posées dans le sens axial de l'accouplement.
Le rotor et l'organe rotatif peuvent être montés de façon rotative sur des arbres séparés ; les arbres sont alors concentriques et l'un sert d'arbre de com mande de l'accouplement tandis que l'autre sert d'ar bre commandé.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution de l'accouplement objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale d'un accouplement à induction constituant la première forme d'exé cution. La fig. 2 est une vue en bout et une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe axiale d'un accouplement à induction semblable dans l'ensemble à celui de la fig. 1 mais comprenant un dispositif de refroidisse ment modifié, et constituant la deuxième forme d'exécution.
La fig. 4 est une coupe axiale schématique d'un accouplement constituant la troisième forme d'exé cution. Comme les fig. 1 et 2 le montrent, l'accouple ment comprend un arbre 1 portant un noyau de rotor en fer 2 de forme générale cylindrique et dirigé axialement, sur une extrémité duquel est monté un empilage de tôles 3 en fer magnétique constituant les tôles primaires et clavetées sur le noyau de rotor 2 de façon à tourner avec lui et avec l'arbre de com mande 1. Ces tôles ont la forme de pôles 4 s'évasant à leurs extrémités extérieures 4a. Un second arbre 5 porte une cage 6 clavetée sur cet arbre et tournant avec lui.
La paroi extérieure 6a de la cage est rela tivement épaisse comparativement à des constructions connues d'accouplement, et a une forme générale cylindrique avec une section transversale d'épaisseur pratiquement uniforme, cette paroi extérieure entou rant les pièces polaires 4 tout en étant espacée. La cage est construite, de préférence, en aluminium ou en cuivre, l'aluminium ayant l'avantage d'une faible inertie.
Les arbres 1 et 5 sont montés respectivement dans des paliers 8 faisant partie de capots d'extré mité 9 en aluminium coulé, entre lesquels se trouve un anneau de stator 10 en fer magnétique qui entoure les pôles 4 et la cage 6. La partie 6a de la cage se trouve dans un entrefer annulaire 7 compris entre les pièces polaires 4 et l'anneau de stator 10. Les capots d'extrémité 9 et l'anneau de stator 10 constituent en semble la carcasse de l'accouplement. Des paliers sup plémentaires, 8a sont disposés entre l'arbre 5 et l'inté rieur du noyau de rotor 2. Entre l'anneau de stator 10 et l'extrémité du noyau 2 la plus éloignée des pôles 3 se trouve une pièce magnétique consistant en un empilage de tôles de fer annulaires 11 constituant des tôles secondaires attachées au capot d'extrémité voisin 9 par des vis 12.
Le noyau de rotor 2 traverse l'ouverture centrale de ces tôles. Une bobine d'excitation 14 de forme annulaire, suspendue aux tôles secondaires 11 à l'aide de pinces 13, entoure le noyau de rotor 2 et est bobinée de façon que ses spires soient concentriques au noyau de rotor.
L'accouplement est refroidi par un ventilateur 15 monté de telle façon sur les tôles primaires de rotor 3 que l'air froid, aspiré de l'extérieur par des ouver tures 16 pratiquées dans les capots d'extrémité 9 et par des ouvertures 18 du moyeu de la cage 6 et des tôles secondaires 11, agisse directement sur la paroi annulaire 6a pour évacuer l'énergie convertie en cha leur dans cette paroi. Une boite à bornes 19, montée sur la carcasse, permet de connecter les fils d'ali mentation à la bobine d'excitation 14.
L'accouplement décrit fonctionne de la manière suivante: quand la bobine d'excitation 14 est ali mentée par une source d'énergie électrique qui peut être à courant alternatif ou à courant continu, un champ magnétique s'établit autour de la bobine, et ses lignes de force constituent un flux toroïdal dont l'axe se confond avec l'axe des deux arbres 1 et 5.
Le circuit magnétique complet va du noyau de rotor 2, vers l'extérieur par les tôles primaires 3, au travers de l'entrefer 7 contenant la paroi annulaire de la cage 6 et le long de l'anneau de stator 10, jus qu'aux tôles secondaires 11. Si la bobine est alimen tée en sens opposé, le champ est inversé, mais le fonctionnement de l'accouplement reste le même.
Comme les tôles primaires sont aimantées, quand l'arbre 1 est stationnaire et la bobine 14 excitée, la cage 6 est traversée par un champ magnétique uni directionnel. Si l'arbre 1 tourne, le champ magné tique régnant dans l'entrefer tourne avec lui et induit des courants de Foucault dans la cage.
Comme la cage est construite en une matière à haute conductibilité, de forts courants induits peu vent circuler sans produire une quantité de chaleur exagérée, ces courants circulant axialement le long de la cage au-dessus des faces polaires 4a, pour en suite se déplacer circonférentiellement le long d'une extrémité de la cage, revenir axialement le long de la cage entre les pôles et se déplacer circonférentielle- ment le long de l'autre extrémité de la cage.
Les courants induits dans la cage produisent à leur tour des champs magnétiques réagissant sur 1e champ principal de sorte que la cage est soumise à un couple entraînant celle-ci dans le même sens de rotation que celui du champ magnétique principal et, par conséquent, entraînant l'arbre 5.
La vitesse de rotation de l'arbre commandé 5 relativement à celle de l'arbre de commande 1 est déterminée, pour toute charge, par le glissement rela tif entre les deux arbres donnant lieu à des courants induits dans la cage d'une intensité donnant un cou ple suffisant pour vaincre le couple exercé par la charge sur l'arbre commandé. La vitesse de l'arbre 5 est donc fonction de la vitesse de l'arbre de com mande et de l'intensité du champ magnétique pro duit par la bobine 14.
Si la bobine d'excitation 14 est alimentée par du courant alternatif, il est préférable que le noyau de rotor 2, l'anneau de stator 10 et les tôles 3 et 11 soient en un alliage de fer à plus haute résistivité, afin de réduire les pertes. Si, au contraire, la bobine 14 est alimentée en courant continu, le noyau de rotor 2 peut être en fer forgé, et les tôles primaires 3 peuvent aussi être en fer forgé ou en une qualité de tôle ordinaire.
Les pôles 4 sont conformés de façon que la va riation de la densité de flux soit approximativement sinusoïdale le long de la cage 6, tout le flux étant ainsi utilisé efficacement. Quand l'accouplement décrit est destiné à être utilisé comme un accouplement à vitesse variable, le degré de couplage entre les arbres de commande et commandé est réglé par l'excitation de la bobine 14, ce qui s'effectue normalement à l'aide d'un simple rhéostat.
Ce réglage de vitesse est sans à-coups et peut être varié d'une manière continue entre zéro et environ 95 /o de la vitesse de l'arbre de commande, dans l'hypothèse d'une pleine charge appliquée à l'ar bre commandé.
Quand l'accouplement est utilisé comme frein électrodynamique, l'arbre 1 peut être freiné et la charge à commander, connectée à l'arbre 5, fait tour ner la cage 6. Quand l'excitation de la bobine 14 augmente, un couple de freinage se produit dans la cage 6, sa valeur étant proportionnelle au courant d'excitation. L'effet d'un frein de ce genre est varia ble d'une manière continue par variation de l'exci tation de la bobine 14.
Il va de soi que l'énergie d'entrainement peut être appliquée à l'un ou à l'autre arbre de l'accou plement sans qu'il y ait une différence notable dans le rendement.
La fig. 3 représente un accouplement générale ment semblable à celui décrit en référence aux fig. 1 et 2 mais comportant, en vue de son refroidissement, deux ventilateurs centrifuges semblables 15a et<I>15b,</I> le ventilateur 15a étant porté par les tôles primaires de rotor 3 et le ventilateur 15b par la cage 6. Des ouvertures 18, pratiquées dans le moyeu de la cage, établissent la communication d'air entre les deux ventilateurs ; la circulation de l'air dans raccouple- ment est indiquée par des flèches.
Les deux ventilateurs sont disposés de façon à créer des circulations d'air en sens opposés au travers de l'accouplement, quand les arbres 1 et 5 tournent dans le même sens. De cette manière, le volume to tal et le sens de l'air de ventilation traversant l'accou plement dépendent de la différence entre les vitesses de rotation des deux ventilateurs 15a, 15b et de ce que l'un ou l'autre ventilateur tourne le plus vite.
Le fonctionnement de ce dispositif de refroidisse ment est décrit ci-après. Comme précité, l'accouple ment peut être utilisé avec l'arbre 1 ou l'arbre 5 comme arbre de commande ou d'entraînement. Quand un couple de pleine charge est appliqué à un ded arbres et qu'une machine motrice est reliée à l'autre arbre, il y a une différence de vitesse entre les deux arbres à cause du glissement de l'accouplement, et la différence entre ces vitesses de rotation des deux ventilateurs, produit un passage d'air au travers de l'accouplement.
Le ventilateur solidaire de l'arbre de commande tourne plus vite et fait passer suffisam ment d'air entre les pales du ventilateur le plus lent, à l'encontre de l'air circulant en sens opposé et pro duit par ce dernier ventilateur, pour refroidir la machine.
Si l'arbre commandé tourne plus lentement sous pleine charge, la différence entre les vitesses de ro tation des deux ventilateurs augmente, et il en est de même de la quantité totale d'air qui traverse l'accou plement, ce qui permet de mieux refroidir et d'éva cuer la plus grande quantité d'énergie dissipée en chaleur dans la cage de l'accouplement. Le refroi dissement maximum est obtenu quand l'arbre com mandé est immobilisé et que la pleine excitation est appliquée à l'accouplement ; dans ce cas d'ailleurs toute l'énergie fournie par l'arbre de commande est dissipée en chaleur dans la cage.
A ce moment ce pendant, un seul ventilateur est en action et, comme il n'y a pas d'air provenant de l'autre ventilateur pour s'opposer au premier, le volume d'air traversant l'accouplement sous l'effet de ce seul ventilateur cor respond au maximum possible et assure la ventila tion et le refroidissement nécessaires pour réduire la température de l'accouplement.
On peut constater que la disposition décrite pro cure la réfrigération nécessaire à pleine charge pour toutes les vitesses, sans une perte inutile de puissance par refroidissement exagéré aux vitesses élevées. De cette manière on améliore le rendement général de l'accouplement.
La fig. 4 est une coupe schématique axiale d'une autre forme d'exécution dans laquelle le rotor 22 en toure le stator 20. Le stator consiste en une pièce en fer magnétique de forme générale cylindrique com prenant une partie centrale 20a entourée par une bobine d'excitation annulaire 21 et deux parties d'extrémité 20b et 20e ayant un plus grand diamètre que la partie centrale 20a, le diamètre de la partie d'extrémité 20b étant d'autre part supérieur à celui de la partie d'extrémité 20c.
Le rotor 22 consiste en une pièce en fer de forme générale cylindrique compre nant des pièces polaires feuilletées 24 en saillie vers l'intérieur dans la direction de la partie d'extrémité 20c du stator et délimitant un entrefer annulaire 27 entre le rotor et le stator. Le rotor tourne sur des roulements 28 montés sur le pourtour de la partie d'extrémité 20b du stator. La cage 26, en une ma tière non magnétique conductrice de l'électricité comme le cuivre ou l'aluminium, a une partie cylin drique 26a disposée dans l'entrefer annulaire 27 et est clavetée sur un arbre 25.
La carcasse de l'accou plement n'est pas représentée, celle-ci pouvant être construite de toute façon voulue. Le rotor 22 peut être entraîné par une courroie passant sur son pour tour, ou bien ce pourtour peut être pourvu de dents destinées à être entraînées par une roue dentée ou une chaîne engrenant avec ces dents. Il va de soi que le rotor peut aussi être monté sur un arbre rotatif concentrique à l'arbre 25, si on le désire.
Cette forme d'exécution fonctionne de façon semblable à la forme d'exécution représentée aux fig. 1 et 2, la différence principale résidant en ce que, dans la forme d'exécution de la fig. 4 le rotor et les pièces polaires se trouvent à l'extérieur de la cage et le stator à l'intérieur de la cage.
Dans les accouplements décrits, comme la ma tière de la cage est choisie principalement en fonc tion de sa conductibilité électrique, le rendement de l'accouplement peut dépasser 80 o/' à pleine charge et à la vitesse nominale maximum. On entend ici par rendement, le rapport entre la puissance fournie à l'arbre de commande et celle disponible sur l'arbre commandé. En outre, puisque la cage est non magné tique, il n'y a pas de grandes forces magnétiques ra diales de déséquilibre comrie il en existe actuellement dans des accouplements électromagnétiques connus, ces forces provoquant une usure sévère des paliers de l'accouplement.
Les accouplements décrits n'exi gent que des tolérances d'usinage normales en cours de fabrication et des équilibrages dynamiques nor maux.
Dans des accouplements tels que ceux représen tés, les lignes de force de l'enroulement d'excitation ne coupent la cage qu'une seule fois, et on utilise un petit nombre de pôles pour réduire la fréquence de fluctuation de l'intensité du champ. Le nombre de pôles de l'accouplement est déterminé, entre au tres, par la vitesse à laquelle l'arbre de l'accouple ment doit être entraîné. Pour des accouplements à vitesse de 1500 tours/minute, on peut utiliser six pôles, le nombre de pôles pouvant être augmenté à des vitesses inférieures. On peut utiliser quatre pôles à 3000 tours/minute, et deux pôles seulement pour une vitesse allant au-delà de 6000 tours/minute, de préférence avec une cage à plus haute résistivité pour assurer la stabilité.
C'est ainsi que la cage peut être construite en cuivre, métal de faible résistivité, dans des accouplements destinés à fonctionner à des vi tesses faibles, et en un alliage d'aluminium ayant une résistivité supérieure de 50 o/o dans des accouplements destinés à fonctionner à des vitesses plus élevées.
En outre, l'angle polaire, dans des accouplements tels que ceux décrits, est augmenté par évasement de l'extrémité extérieure des pôles qui sont conformés de façon à réduire la densité du flux dans l'entrefer et aussi de façon à maintenir le flux de fuite du champ magnétique principal à un minimum entre les pôles. La diminution de la densité de flux qui en résulte nécessite une cage à faible résistance élec trique ; il est donc souhaitable d'utiliser une cage à paroi épaisse.
Par exemple, l'accouplement représenté peut être monté dans la même carcasse que celle d'un moteur électrique ou d'une autre machine motrice qui doit entraîner l'arbre de commande. Ou bien, la carcasse de l'accouplement peut être agencée de façon à pou voir être facilement boulonnée sur la carcasse d'un moteur électrique auquel elle doit être associée.
Si on le désire, au lieu d'utiliser des pièces polai res feuilletées, les pièces polaires peuvent être en fer massif, dans le cas d'accouplement à courant con tinu. Dans le cas d'accouplements à courant alterna tif, on peut faire usage, pour les pièces polaires, d'une matière magnétique granuleuse réunie par un liant non conducteur.
En outre, au lieu d'utiliser une seule bobine d'ex citation, le champ magnétique pourrait être produit par un ensemble de plusieurs bobines d'excitation.
The present invention relates to an electromagnetic induction coupling, intended for example to transmit a torque from a drive shaft to a controlled shaft, or to act as an electro dynamic brake on a controlled shaft.
In electromagnetic induction couplings, the induction flux in the stator generates induced currents in a cage which produce an opposite flux which reduces the effective value of the induction flux; this flux also induces a reactive component, so that the coupling exhibits a torque-speed characteristic such that, practically for any value of the load torque, there are two possible slip angles. Therefore, the speed of these couplings depends, for any torque, on the conditions existing before the application of the new torque. A mating of this kind is inherently unstable.
In order to reduce the dewatted currents of the stator, we use fault current couplings comprising a large number of poles causing a high frequency variation of the field strength, which reduces the leakage flux between the stator and the stator. the cage. Eddy current losses are then high and the effective value of the flux very low. The efficiency is increased and the deformation of the flux is reduced by flaring the poles of the rotor so as to obtain a high concentration of the flux in the cavity, and the cage must therefore be made of magnetic material or must be very thin. , and be placed in a narrow air gap separating the rotor and the stator.
Couplings of this kind are also unstable over much of their torque range. In order to increase the stability, a steel cage has been used, but this requires very tight machining tolerances and very precise dynamic balancing, the efficiency remaining however low. The object of the present invention is to provide a coupling that is simple and economical to manufacture, having a higher efficiency than the efficiency of couplings known hitherto.
The electromagnetic induction coupling object of the invention comprises a rotor made of magnetic material having several pole pieces projecting towards a stator which is also made of magnetic material and arranged coaxially with said rotor but spaced therefrom so as to determine with said rotor, between the projecting pole pieces and the stator, a practically annular air gap, a rotating member having a practically cylindrical part placed in said air gap,
and means fixed to said stator for producing an excitation magnetic field whose lines of force generate a flux of generally toroidal shape, the axis of which practically coincides with the axis of rotation of the rotor.
This coupling is characterized in that the rotating organ is made entirely of electrically conductive non-magnetic material, in that the pole pieces are disposed axially only at one end of the rotor, in that said rotor and stator comprise each a body extending axially from said annular air gap in the same direction,
these bodies being magnetically coupled in a zone axially remote from said air gap and in which the magnetic flux extends radially through a free space of uniform thickness intended to allow rotation of the rotor,
and in that the magnetic flux passes in the axial direction in said bodies of the rotor and of the stator and radially on the one hand through the pole pieces and on the other hand through a part extending radially between said bodies to their end remote from said air gap, the whole being arranged so that the protruding pole pieces have the same polarity and that the magnetic flux passes only once through said cylindrical part of the rotating member arranged in the annular air gap and either normal to this part,
so that the generation of parasitic currents in the rotary member and the resulting losses are minimized.
Such an induction coupling can be constructed either with an annular rotor surrounding the stator and provided with pole pieces projecting inwards, or with an annular stator surrounding a rotor for viewing pole pieces projecting outwards.
The toroidal magnetic flux can be produced electrically by one or more excitation coils supplied with direct or alternating current. Or, the toroidal magnetic flux can be produced by one or more permanent magnets. When using an electrical excitation current, the magnetic field can be changed, for example if it is desired to vary the speed or torque of the coupling. It is also possible to vary the intensity of the magnetic field in the case of the use of one or more permanent magnets, either by adjusting two or more magnets between them, or by providing an adjustable shunt or an adjustable air gap. in the magnet (s).
The body of the rotor may be formed by a generally cylindrical iron part, the axial length of which is greater than the axial length of the pole pieces projecting radially at one end of this body. The pole pieces can be formed by a stack of iron sheets and have the shape of radial fingers widening circumferentially outwards, so that the circumferential dimension of the ends of the pole pieces is greater than the rest of these parts.
When the coupling comprises a rotor surrounded by a cylindrical stator, the rotor may be formed by a generally cylindrical iron core carrying, at one end, laminated iron pole pieces.
The rotary member, in an electrically conductive non-magnetic material, can be made of copper, aluminum or an alloy of copper or aluminum; however, it can be made from any non-ferrous metal.
The body of the stator can be formed by a cylindrical piece of magnetic iron or sheets. In cases where the stator surrounds the retor, the stator may consist of a stack of concentric sheets arranged in the axial direction of the coupling.
The rotor and the rotary member can be rotatably mounted on separate shafts; the shafts are then concentric and one serves as a drive shaft for the coupling while the other serves as a drive shaft.
The appended drawing represents, by way of example, three embodiments of the coupling object of the invention.
Fig. 1 is an axial section of an induction coupling constituting the first embodiment. Fig. 2 is an end view and a section taken along the line II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is an axial section of an induction coupling similar in general to that of FIG. 1 but comprising a modified cooling device, and constituting the second embodiment.
Fig. 4 is a schematic axial section of a coupling constituting the third embodiment. As in fig. 1 and 2 show, the coupling comprises a shaft 1 carrying an iron rotor core 2 of generally cylindrical shape and directed axially, on one end of which is mounted a stack of magnetic iron sheets 3 constituting the primary and keyed sheets on the rotor core 2 so as to rotate with it and with the control shaft 1. These sheets have the shape of poles 4 flaring at their outer ends 4a. A second shaft 5 carries a cage 6 keyed to this shaft and rotating with it.
The outer wall 6a of the cage is rela tively thick compared to known coupling constructions, and has a generally cylindrical shape with a cross section of substantially uniform thickness, this outer wall surrounding the pole pieces 4 while being spaced apart. The cage is preferably constructed of aluminum or copper, the aluminum having the advantage of low inertia.
The shafts 1 and 5 are respectively mounted in bearings 8 forming part of end caps 9 of cast aluminum, between which there is a stator ring 10 of magnetic iron which surrounds the poles 4 and the cage 6. Part 6a of the cage is located in an annular air gap 7 between the pole pieces 4 and the stator ring 10. The end covers 9 and the stator ring 10 seem to constitute the carcass of the coupling. Additional bearings, 8a are arranged between the shaft 5 and the interior of the rotor core 2. Between the stator ring 10 and the end of the core 2 furthest from the poles 3 is a magnetic part consisting of in a stack of annular iron sheets 11 constituting secondary sheets attached to the neighboring end cover 9 by screws 12.
The rotor core 2 passes through the central opening of these sheets. An annular excitation coil 14, suspended from the secondary plates 11 by means of clamps 13, surrounds the rotor core 2 and is wound so that its turns are concentric with the rotor core.
The coupling is cooled by a fan 15 mounted in such a way on the primary rotor plates 3 that cold air, sucked in from the outside through openings 16 made in the end covers 9 and through openings 18 of the rotor. hub of the cage 6 and of the secondary plates 11, acts directly on the annular wall 6a to evacuate the energy converted into heat in this wall. A terminal box 19, mounted on the frame, allows the supply wires to be connected to the excitation coil 14.
The coupling described operates as follows: when the excitation coil 14 is supplied by a source of electrical energy which may be alternating current or direct current, a magnetic field is established around the coil, and its lines of force constitute a toroidal flow whose axis merges with the axis of the two shafts 1 and 5.
The complete magnetic circuit goes from the rotor core 2, outwards through the primary sheets 3, through the air gap 7 containing the annular wall of the cage 6 and along the stator ring 10, until to the secondary plates 11. If the coil is fed in the opposite direction, the field is reversed, but the operation of the coupling remains the same.
As the primary sheets are magnetized, when the shaft 1 is stationary and the coil 14 energized, the cage 6 is crossed by a uni-directional magnetic field. If the shaft 1 rotates, the magnetic field in the air gap rotates with it and induces eddy currents in the cage.
As the cage is constructed of a material with high conductivity, strong induced currents can circulate without producing an exaggerated quantity of heat, these currents circulating axially along the cage above the pole faces 4a, to subsequently move circumferentially. along one end of the cage, come back axially along the cage between the poles and move circumferentially along the other end of the cage.
The currents induced in the cage in turn produce magnetic fields which react to the main field so that the cage is subjected to a torque driving it in the same direction of rotation as that of the main magnetic field and, therefore, driving it. tree 5.
The speed of rotation of the controlled shaft 5 relative to that of the control shaft 1 is determined, for any load, by the relative sliding between the two shafts giving rise to currents induced in the cage of an intensity giving a neck sufficient to overcome the torque exerted by the load on the controlled shaft. The speed of the shaft 5 is therefore a function of the speed of the control shaft and of the intensity of the magnetic field produced by the coil 14.
If the excitation coil 14 is supplied with alternating current, it is preferable that the rotor core 2, the stator ring 10, and the sheets 3 and 11 are made of a higher resistivity iron alloy, in order to reduce the loss. If, on the contrary, the coil 14 is supplied with direct current, the rotor core 2 can be of wrought iron, and the primary sheets 3 can also be of wrought iron or an ordinary sheet quality.
The poles 4 are shaped so that the variation of the flux density is approximately sinusoidal along the cage 6, all the flux thus being used efficiently. When the coupling described is intended to be used as a variable speed coupling, the degree of coupling between the drive and driven shafts is regulated by energizing the coil 14, which is normally done using 'a simple rheostat.
This speed setting is smooth and can be varied continuously between zero and about 95 / o of the drive shaft speed, assuming full load applied to the shaft. ordered.
When the coupling is used as an electrodynamic brake, the shaft 1 can be braked and the load to be controlled, connected to the shaft 5, rotates the cage 6. When the excitation of the coil 14 increases, a torque of braking occurs in cage 6, its value being proportional to the excitation current. The effect of such a brake is continuously variable by varying the excitation of the coil 14.
It goes without saying that the driving energy can be applied to either shaft of the coupling without there being a noticeable difference in efficiency.
Fig. 3 shows a coupling generally similar to that described with reference to FIGS. 1 and 2 but comprising, for its cooling, two similar centrifugal fans 15a and <I> 15b, </I> the fan 15a being carried by the primary rotor plates 3 and the fan 15b by the cage 6. Openings 18, made in the hub of the cage, establish air communication between the two fans; air circulation in the coupling is indicated by arrows.
The two fans are arranged so as to create air flows in opposite directions through the coupling, when the shafts 1 and 5 rotate in the same direction. In this way, the total volume and the direction of the ventilation air passing through the coupling depend on the difference between the rotation speeds of the two fans 15a, 15b and whether one or the other fan is running. the fastest.
The operation of this cooling device is described below. As mentioned above, the coupling can be used with the shaft 1 or the shaft 5 as a control or drive shaft. When full load torque is applied to one of the shafts and one prime mover is connected to the other shaft, there is a difference in speed between the two shafts due to slippage of the coupling, and the difference between these rotational speeds of the two fans, produces an air passage through the coupling.
The fan attached to the drive shaft rotates faster and passes sufficient air between the blades of the slower fan, against the air flowing in the opposite direction and produced by the latter fan, to cool the machine.
If the driven shaft rotates more slowly under full load, the difference between the rotational speeds of the two fans increases, and so does the total amount of air flowing through the coupling, resulting in better cool and evacuate the greatest amount of heat dissipated energy in the coupling cage. Maximum cooling is obtained when the driven shaft is immobilized and full excitation is applied to the coupling; in this case, moreover, all the energy supplied by the control shaft is dissipated as heat in the cage.
At this time, however, only one fan is in action and, as there is no air coming from the other fan to oppose the first, the volume of air passing through the coupling under the effect of this single fan corresponds to the maximum possible and provides the ventilation and cooling necessary to reduce the temperature of the coupling.
It can be seen that the arrangement described provides the necessary refrigeration at full load for all speeds, without unnecessary loss of power by excessive cooling at high speeds. In this way the general efficiency of the coupling is improved.
Fig. 4 is a schematic axial section of another embodiment in which the rotor 22 turns the stator 20. The stator consists of a piece of magnetic iron of generally cylindrical shape comprising a central part 20a surrounded by a coil of annular excitation 21 and two end parts 20b and 20e having a larger diameter than the central part 20a, the diameter of the end part 20b being on the other hand greater than that of the end part 20c.
The rotor 22 consists of an iron part of generally cylindrical shape comprising laminated pole pieces 24 projecting inwardly in the direction of the end portion 20c of the stator and defining an annular air gap 27 between the rotor and the stator. . The rotor rotates on bearings 28 mounted around the periphery of the end portion 20b of the stator. The cage 26, made of an electrically conductive non-magnetic material such as copper or aluminum, has a cylindrical part 26a arranged in the annular air gap 27 and is keyed on a shaft 25.
The carcass of the coupling is not shown, it can be constructed in any way desired. The rotor 22 can be driven by a belt passing on its turn, or else this periphery can be provided with teeth intended to be driven by a toothed wheel or a chain meshing with these teeth. It goes without saying that the rotor can also be mounted on a rotating shaft concentric with the shaft 25, if desired.
This embodiment operates similarly to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the main difference residing in that, in the embodiment of FIG. 4 the rotor and the pole pieces are located outside the cage and the stator inside the cage.
In the couplings described, since the material of the cage is chosen mainly on the basis of its electrical conductivity, the efficiency of the coupling can exceed 80 ° / 'at full load and at maximum rated speed. The term “efficiency” is used here to mean the ratio between the power supplied to the control shaft and that available on the controlled shaft. Furthermore, since the cage is non-magnetic, there are no large radical magnetic forces of imbalance as there are presently in known electromagnetic couplings, these forces causing severe wear of the bearings of the coupling.
The couplings described only require normal machining tolerances during manufacture and normal dynamic balances.
In couplings such as those shown, the lines of force of the excitation winding only intersect the cage once, and a small number of poles are used to reduce the frequency of fluctuation of the field strength. . The number of poles of the coupling is determined, among others, by the speed at which the shaft of the coupling is to be driven. For couplings at speeds of 1500 rpm, six poles can be used, the number of poles can be increased at lower speeds. Four poles can be used at 3000 revolutions / minute, and two poles only for a speed exceeding 6000 revolutions / minute, preferably with a cage with higher resistivity to ensure stability.
This is how the cage can be constructed of copper, a metal of low resistivity, in couplings intended to operate at low speeds, and of an aluminum alloy having a resistivity greater than 50% in couplings intended to operate at higher speeds.
Further, the polar angle, in couplings such as those described, is increased by flaring the outer end of the poles which are shaped so as to reduce the density of flux in the air gap and also so as to maintain flux. of the main magnetic field to a minimum between the poles. The resulting reduction in flux density requires a low electrical resistance cage; it is therefore desirable to use a thick-walled cage.
For example, the coupling shown may be mounted in the same frame as that of an electric motor or other prime mover which is to drive the control shaft. Or, the carcass of the coupling can be arranged so that it can be easily bolted to the carcass of an electric motor with which it is to be associated.
If desired, instead of using laminated pole pieces, the pole pieces can be solid iron, in the case of DC coupling. In the case of alternating current couplings, use may be made, for the pole pieces, of a granular magnetic material joined by a non-conductive binder.
Also, instead of using a single excitation coil, the magnetic field could be produced by a set of multiple excitation coils.