FR3133499A1 - frein magnétique à hystérésis à entrefer réglable - Google Patents

frein magnétique à hystérésis à entrefer réglable Download PDF

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Abstract

Frein magnétique à hystérésis, comprenant un élément interne (12) et un élément externe (11) qui délimite un logement pour recevoir l’élément interne (11) de telle manière que l’élément interne (11) et l’élément externe (12) soient mobiles en rotation autour d’un axe de pivotement (4) relativement l’un à l’autre. L’un des éléments est pourvu d’aimants (15) et l’autre est en matériau semi-rémanent de telle manière que les aimants (15) engendrent dans le matériau semi-rémanent un champ magnétique induit à travers des surfaces en regard (14, 16). Le frein comprend un organe de réglage (22) en position axiale de l’un des éléments par rapport à l’autre des éléments pour régler un degré d’enfoncement de l’élément interne (11) dans l’élément externe (12) et donc une intensité du champ magnétique induit. Instrument de commande et véhicule comprenant un tel frein. FIGURE DE L’ABREGE: Fig. 9

Description

frein magnétique à hystérésis à entrefer réglable
La présente invention concerne un frein magnétique à hystérésis utilisable, par exemple, dans les interfaces homme/machine, pour engendrer un effort résistant au déplacement d’un objet, tel qu’un instrument de commande, manipulé par un utilisateur.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
L’effort résistant en question est le résultat d’une friction magnétique exercée sur une pièce reliée à l’objet à freiner.
Un frein magnétique à hystérésis comprend deux éléments en regard mobiles l’un par rapport à l’autre, à savoir un rotor et un stator : l’un des éléments, par exemple le stator a des pôles magnétiques en regard du rotor et le rotor est réalisé dans un matériau à forte rémanence magnétique. On rappelle qu’un tel matériau a des propriétés magnétiques telles que :
  • lorsque le matériau est soumis à un champ magnétique d’excitation, un champ magnétique est induit dans le matériau, et
  • lorsque le champ d’excitation varie, le champ induit correspondant décrit un cycle d’hystérésis, c’est-à-dire que lorsque le champ d’excitation revient à sa valeur initiale (nulle), le champ induit demeure (on dit que le matériau conserve une induction rémanente).
Ainsi, les pôles magnétiques du stator engendrent le champ magnétique d’activation et le champ induit dans le rotor produit une résistance au déplacement du rotor.
De tels freins magnétiques à hystérésis sont par exemple utilisés dans les instruments de commande. Le rotor est alors relié à une manette de l’instrument de commande, cette manette étant déplacée par un utilisateur par exemple pour commander un dispositif tel qu’un moteur. Le champ magnétique induit produit une résistance au déplacement du rotor et donc une résistance au déplacement de l’instrument manipulé par l’utilisateur. Cette résistance permet à l’utilisateur de mieux doser le mouvement qu’il imprime à la manette de l’instrument de commande.
Le document FR-A-2998347 décrit un frein magnétique dans lequel les pôles sont formés par des enroulement électromagnétiques.
Les pôles magnétiques peuvent également être formés par des aimants permanents, ce qui permet d’avoir une structure plus simple.
Cependant, l’effort résistant dépend de la puissance des aimants utilisés et de l’entrefer entre le rotor et le stator. Or, le dimensionnement et les ajustements nécessaires à l’obtention de l’effort résistant souhaité sont relativement complexes.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a notamment pour but un frein magnétique à hystérésis dont l’effort résistant est adapté aux applications envisagées.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un frein magnétique à hystérésis, comprenant un élément interne ayant une surface externe centrée sur un axe de pivotement et un élément externe ayant une surface interne qui est centrée sur l’axe de pivotement et qui délimite un logement pour recevoir l’élément interne de telle manière que l’élément interne et l’élément externe soient mobiles en rotation autour de l’axe de pivotement relativement l’un à l’autre. L’un des éléments est pourvu d’aimants et l’autre des éléments est en matériau semi-rémanent de telle manière que les aimants engendrent dans le matériau semi-rémanent un champ magnétique induit à travers lesdites surfaces lorsque lesdites surfaces sont en regard l’une de l’autre. Le frein comprend un organe de réglage en position axiale de l’un des éléments par rapport à l’autre des éléments pour régler un degré d’enfoncement de l’élément interne dans l’élément externe et donc une intensité du champ magnétique induit.
Ainsi :
  • si la surface interne et la surface externe sont tronconiques, le décalage axial de l’élément interne par rapport à l’élément externe permet de modifier notamment l’entrefer entre eux (c’est-à-dire la distance entre la surface interne et la surface externe) ;
  • si la surface interne et la surface externe sont cylindriques, le décalage axial de l’élément interne par rapport à l’élément externe permet de modifier le taux de recouvrement de la surface interne par la surface externe et donc la surface disponible pour le passage des lignes de champ.
Il en résulte que le réglage de la position axiale de l’élément interne par rapport à l’élément externe permet de régler l’effort résistant de manière simple et économique.
L’invention concerne également un instrument de commande équipé d’un tel frein et un véhicule équipé d’un tel instrument de commande.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la est une vue schématique partielle d’un poste de pilotage de véhicule, pourvu d’un instrument de commande selon l’invention ;
la est une vue en perspective, en demi-coupe diamétrale, d’un frein équipant l’instrument de commande, selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
la est une vue schématique, en coupe transversale, de ce frein représentant les lignes de champ dans un des aimants du frein ;
la est une vue schématique partielle, en coupe axiale, de ce frein avec un premier positionnement axial du rotor ;
la est une vue schématique partielle, en coupe axiale, de ce frein avec un deuxième positionnement axial du rotor ;
la est une vue schématique partielle, en coupe axiale, de ce frein avec un troisième positionnement axial du rotor ;
la est une vue schématique partielle, selon un premier plan de coupe axial, de ce frein ;
la est une vue schématique partielle, selon un deuxième plan de coupe axial, de ce frein ;
la est une vue schématique partielle, selon un troisième plan de coupe axial, de ce frein ;
la est une vue schématique partielle, en coupe axiale, d’un frein selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence aux figures 1 à 9, l’invention est ici décrite en application à un instrument de commande, généralement désigné en 1, équipant le poste de pilotage d’un véhicule V tel qu’un véhicule aérien, terrestre ou naval. L’instrument de commande 1 est ici agencé pour commander le moteur dudit véhicule (l’instrument de commande 1 est ici ce qu’on appelle couramment la manette des gaz).
L’instrument de commande 1 comprend un bâti 2 qui est fixé à la structure du véhicule, dans le poste de pilotage, à portée de main du pilote.
Une manette 3 est montée sur le bâti 2 pour pivoter autour d’un axe de pivotement 4 ici horizontal.
L’instrument de commande 1 comprend en outre un frein 10 comportant un stator 11 lié en rotation au bâti 1 et un rotor 12 lié en rotation à la manette 3.
Le frein 10 est un frein magnétique à hystérésis.
Le stator 11 est formé d’un paquet de tôles qui sont empilés selon l’axe de pivotement 4 et sont chacune percée d’un trou de manière à former un logement 13 délimité par une surface interne 14 du paquet de tôles formant le stator 11. La surface interne 14 est de forme tronconique centrée sur l’axe de pivotement 4. Les tôles sont en un matériau semi-rémanent. Le matériau choisi pour le paquet de tôle de la culasse est appelé « semi-rémanent » car son cycle d’hystérésis majeur se rapproche de celui d’un aimant. Le matériau est par exemple celui produit sous la marque MAGNETOFLEX (et plus particulièrement MAGNETOFLEX 35 U) ou CROVAC par le fabricant VACUUMSCHMELZE.
Le rotor 12 comprend un moyeu tubulaire, en acier, qui est centré sur l’axe de pivotement 4 et qui a une surface périphérique tronconique sur laquelle sont fixés des aimants 15. Les aimants 15 sont positionnés pour que leur vecteur d’aimantation s’étende selon une direction radiale du moyeu et sont orientés nord-sud et sud-nord en alternance selon une direction circonférentielle du moyeu. Ainsi, selon cette direction circonférentielle, le pôle nord d’un aimant 15 est encadré par les pôles sud des deux aimants 15 adjacents, et ainsi de suite… pour former des pôles d’aimantation alternée sur une surface externe 16 du rotor 12.
Le rotor 12 et le stator 11 sont montés l’un par rapport à l’autre pour être mobiles, non seulement en rotation autour de l’axe de pivotement 4, mais aussi en translation le long de l’axe de pivotement 4. A cette fin, le moyeu du rotor 12 est monté pour coulisser axialement sur un arbre tubulaire 17 lié en rotation, ici via une denture interne, à la manette 3 et monté dans le bâti 2 pour pivoter autour de l’axe de pivotement 4. L’amplitude du mouvement de translation du moyeu 12 est telle que le rotor 12 et le stator 11 ont deux positions relatives extrêmes :
  • une position d’enfoncement maximal dans laquelle le rotor 12 est reçu dans le logement 13 du stator 11 et vient en appui contre une butée avant 18 (ici un anneau d’arrêt) solidaire de l’arbre tubulaire 17 de sorte que la surface interne 14 et la surface externe 16 s’étendent en regard l’une de l’autre avec un entrefer minimal entre elles (voir la ) ;
  • une position d’enfoncement minimal dans laquelle le rotor 12 est en partie dégagé du logement 14 du logement 13 du stator 11 et est proche d’une collerette 19 solidaire de l’arbre tubulaire 17 de sorte que la surface interne 14 et la surface externe 16 sont décalées l’une par rapport à l’autre avec un entrefer maximal entre elles (voir la ).
Une position intermédiaire a également été représentée sur la . On notera que la profondeur d’enfoncement du rotor 12 dans le stator 11 conditionne également l’aire de la surface externe 16 en regard de la surface interne 14, et donc le taux de recouvrement de ces deux surfaces. On rappelle que le taux de recouvrement des deux surfaces est représentatif de la section de passage disponible pour les lignes de champ (on a représenté les lignes de champ sur la ). Ainsi, plus le rotor 12 est enfoncé dans le stator 11 et plus la résistance au pivotement du rotor 12 sera importante.
Le rotor 12 est lié en rotation à l’arbre 17 et guidé en translation par l’intermédiaire de goupilles 20 s’étendant chacune parallèlement à l’axe de pivotement 4 et ayant chacune un tronçon d’extrémité encastré dans la collerette 19 et un tronçon d’extrémité reçu dans un alésage 21 du rotor 12 à coulissement parallèlement à l’axe de pivotement 4 (voir la ). Les goupilles 20 sont ici au nombre de trois et sont symétriquement disposées autour de l’axe de pivotement 4.
Le réglage en position du rotor 12 le long des goupilles 20 est assuré par l’intermédiaire de deux vis 22 qui s’étendent parallèlement à l’axe de pivotement 4 en deux positions diamétralement opposée (voir la ou seule une des vis est visible). Chaque vis 22 comprend deux tronçons d’extrémité filetés en sens inverses et engagés respectivement pour l’un dans un taraudage 23 du rotor 12 et pour l’autre dans un taraudage 24 de la collerette 19. La rotation des vis 22 rapproche ou éloigne le rotor 12 de la collerette 19 selon le sens de rotation.
Le blocage du réglage en position axiale est assuré par des vis pointeau 25 engagées dans des taraudages 26 de la collerette 19 pour faire saillie de la collerette 19 et prendre appui contre le rotor 12. Lorsque les vis pointeau 25 sont serrés contre le rotor 12, elles mettent les vis 22 sous tension et empêchent qu’elles ne se desserrent une fois le réglage en position axiale effectué.
On comprend au vu de la que les lignes de flux du champ magnétique engendré par les aimants 15 passent par les surfaces 16 et 14 et se referment dans le stator 11 pour y induire un champ magnétique. Sous l’effet de la rotation du rotor 12 par rapport au stator 11, le matériau semi-rémanent du stator 11 va donc se comporter comme un aimant et générer un champ magnétique statorique s’opposant au champ magnétique rotorique dans l’entrefer : cette opposition des champs va créer un couple de frottement sec dont la valeur ne dépend pas de la vitesse de rotation. Ce frottement sec produit une résistance au pivotement relatif du rotor 12 et du stator 11.
Entre les deux positions extrêmes, on comprend qu’il y a des positions intermédiaires dans lesquelles la friction magnétique est présente mais est moindre que dans la position d’enfoncement maximal, la friction magnétique augmentant à mesure que l’on s’éloigne de la position d’enfoncement minimal et qu’on se rapproche de la position d’enfoncement maximal.
Dans le mode de réalisation de la , les surfaces 14 et 16 sont cylindriques centrées sur l’axe de pivotement 4.
Comme précédemment, le rotor 12 est réglable en position axiale par rapport au stator 11 entre deux positions relatives extrêmes :
  • une position d’enfoncement maximal dans laquelle le rotor 12 est reçu dans le logement 13 du stator 11 et vient en appui contre une butée 18 (ici un anneau d’arrêt) solidaire de l’arbre tubulaire 17 de sorte qu’un maximum de la surface interne 14 se trouve en regard de la surface externe 16 ;
  • une position d’enfoncement minimal dans laquelle le rotor 12 est en partie dégagé du logement 14 du logement 13 du stator 11 et est proche d’une collerette 19 solidaire de l’arbre tubulaire 17 de sorte qu’un minimum de la surface interne 14 se trouve en regard de la surface externe 16.
On notera que, dans ce mode de réalisation, l’entrefer ne dépend pas de la profondeur d’enfoncement du rotor 12 dans le stator 11. Seul le taux de recouvrement des deux surfaces 14, 16 est modifié.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
En particulier, le frein peut avoir une structure différente de celle décrite ci-avant.
La manette de l’instrument de commande peut par exemple être un bouton, un volant, un levier, ou autre. L’invention est également applicable au commande de gouvernes et plus généralement pour tout dispositif devant mettre en œuvre un frottement sec.
Le stator peut constituer l’élément interne et le rotor l’élément externe.
Le stator peut être fixe en rotation et mobile en translation tandis que le rotor est mobile en rotation et fixe en translation.
Le rotor peut avoir la forme d’un cylindre plein et non pas d’un moyeu creux.
Le stator peut porter les aimants et le rotor être en matériau semi-rémanent.
Le blocage en position du moyeu sur l’arbre peut être obtenu en serrant le moyeu du l’arbre (serrage par vissage ou clavetage par exemple) ou par tout autre moyen de blocage. Il peut y avoir un ou plusieurs moyens de blocage.
Il peut y avoir un ou plusieurs organes de réglage en position.
Le réglage en position peut résulter du coulissement du rotor 12 sur l’arbre 17 mais aussi du vissage du rotor 12 sur l’arbre 17.

Claims (9)

  1. Frein magnétique à hystérésis, comprenant un élément interne (12) ayant une surface externe (16) centrée sur un axe de pivotement (4) et un élément externe (11) ayant une surface interne (14) qui est centrée sur l’axe de pivotement (4) et qui délimite un logement pour recevoir l’élément interne (12) de telle manière que l’élément interne (12) et l’élément externe (11) soient mobiles en rotation autour de l’axe de pivotement (4)relativement l’un à l’autre, l’un des éléments étant pourvu d’aimants (15) et l’autre des éléments étant en matériau semi-rémanent de telle manière que les aimants (15) engendrent dans le matériau semi-rémanent un champ magnétique induit à travers lesdites surfaces (14, 16) lorsque lesdites surfaces (14, 16) sont en regard l’une de l’autre, caractérisé en ce que le frein comprend un organe de réglage (22) en position axiale de l’un des éléments par rapport à l’autre des éléments pour régler un degré d’enfoncement de l’élément interne (12) dans l’élément externe (11) et donc une intensité du champ magnétique induit.
  2. Frein selon la revendication 1, dans lequel la surface interne (14) et la surface externe (16) sont des surfaces tronconiques ayant des axes respectifs alignés sur l’axe de pivotement (4).
  3. Frein selon la revendication 1, dans lequel la surface interne (14) et la surface externe (16) sont des surfaces cylindriques ayant des génératrices s’étendant parallèlement à l’axe de pivotement (4).
  4. Frein selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un parmi l’élément interne (12) et l’élément externe (11) est réglable en position et monté pour coulisser sur un arbre (17).
  5. Frein selon la revendication 4, dans lequel l’organe de réglage en position axiale comprend au moins une vis (22) qui s’étend parallèlement à l’axe de pivotement (4) et qui comprend deux tronçons d’extrémité filetés en sens inverses et engagés respectivement dans un taraudage (23) de l’élément interne (12) porté par l’arbre (17) et pour l’autre dans un taraudage (24) d’une collerette (19) de l’arbre (17).
  6. Frein selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l’élément (12) porté par l’arbre (17) est lié en rotation à l’arbre (17) et guidé en translation par l’intermédiaire de goupilles (20) s’étendant chacune parallèlement à l’axe de pivotement (4) et ayant chacune un tronçon d’extrémité encastré dans une collerette (19) de l’arbre (17).
  7. Frein selon l’une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel un blocage du réglage en position axiale est assuré par des vis pointeau (25) engagées dans des taraudages (26) de la collerette (19) pour faire saillie de la collerette (19) et prendre appui contre l’élément (12) monté sur l’arbre (17).
  8. Instrument de commande comprenant un bâti, une manette montée pour pivoter sur le bâti, et un frein selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’un de l’élément interne et de l’élément externe du frein étant lié en rotation au bâti et l’autre de l’élément interne et de l’élément externe du frein étant lié en rotation à la manette.
  9. Véhicule comportant un instrument de commande selon la revendication précédente.
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