FR3148005A1 - Eddy current magnetic braking device, braked vehicle wheel and aircraft landing gear, aircraft equipped with such a wheel - Google Patents
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Abstract
Dispositif de freinage magnétique pour roue de véhicule, comprenant au moins un élément statorique (2) agencé pour être lié en rotation à une partie du véhicule supportant la roue, un élément rotorique (3) agencé pour être lié en rotation à la roue, des aimants pour produire entre lesdits éléments un flux magnétique susceptible d’engendrer des courants de Foucault dans l’un des éléments lorsque la roue tourne, et une unité de commande de freinage (11) recevant en entrée une commande de freinage pour appliquer un effort de freinage en fonction de la commande de freinage. Les aimants comprennent au moins un électroaimant (9) et le dispositif comprend au moins une unité de commande d’antiblocage (16) recevant en entrée un signal de vitesse du véhicule et un signal de vitesse de rotation de la roue et fournissant en sortie un signal de commande de l’électroaimant en fonction d’une comparaison de vitesses issues des signaux reçus en entrée. Roue d’aéronef et atterrisseur comportant un tel dispositif. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 3Magnetic braking device for a vehicle wheel, comprising at least one stator element (2) arranged to be connected in rotation to a part of the vehicle supporting the wheel, a rotor element (3) arranged to be connected in rotation to the wheel, magnets for producing between said elements a magnetic flux capable of generating eddy currents in one of the elements when the wheel rotates, and a braking control unit (11) receiving as input a braking command for applying a braking force according to the braking command. The magnets comprise at least one electromagnet (9) and the device comprises at least one anti-lock control unit (16) receiving as input a vehicle speed signal and a wheel rotation speed signal and providing as output a control signal for the electromagnet according to a comparison of speeds from the signals received as input. Aircraft wheel and landing gear comprising such a device. FIGURE OF THE ABSTRACT: Fig. 3
Description
La présente invention concerne le domaine du freinage des roues de véhicule telles que les roues d’aéronef.The present invention relates to the field of braking vehicle wheels such as aircraft wheels.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTIONBACKGROUND OF THE INVENTION
Une roue d’aéronef comprend généralement une jante ceinturée d’un pneumatique et reliée par un voile à un moyeu monté pour tourner sur un arbre (essieu ou fusée) support de roue.An aircraft wheel typically consists of a rim surrounded by a tire and connected by a web to a hub mounted to rotate on a wheel support shaft (axle or spindle).
Il est connu des dispositifs de freinage par friction comprenant une pile de disques de freinage qui est logée dans un espace annulaire s’étendant entre la jante et le moyeu et qui comprend une alternance de disques rotoriques liés en rotation avec la roue et de disques statoriques fixes par rapport à l’arbre support de roue. Le dispositif de freinage comprend également des actionneurs hydrauliques ou électromécaniques montés sur un porte-actionneurs et agencés pour appliquer un effort de presse sur la pile de disques de manière à engendrer un couple de freinage pour freiner la rotation de la roue.Friction braking devices are known comprising a stack of brake disks which is housed in an annular space extending between the rim and the hub and which comprises an alternation of rotor disks linked in rotation with the wheel and stator disks fixed relative to the wheel support shaft. The braking device also comprises hydraulic or electromechanical actuators mounted on an actuator holder and arranged to apply a pressing force on the stack of disks so as to generate a braking torque to brake the rotation of the wheel.
De nombreux véhicules équipés d’un dispositif de freinage par friction comportent un système antiblocage (ou antidérapage) de roue associé au dispositif de freinage par friction. En effet, si le couple de freinage est trop important par rapport à la vitesse du véhicule freiné et du coefficient de friction des pneumatiques des roues par rapport au sol, le dispositif de freinage bloque les roues qui dérapent alors sur le sol : un tel dérapage diminue la capacité de manœuvre du véhicule et engendre une usure et un échauffement rapide des pneumatiques qui peuvent éclater. Pour éviter le blocage de la roue, le système anti-blocage compare la vitesse de rotation des roues à la vitesse du véhicule et commande l’actionneur pour relâcher l’effort de presse lorsque le rapport de vitesses est supérieur à un seuil (correspondant sensiblement à la circonférence de la roue). Pour obtenir un antiblocage efficace, le relâchement de l’effort de presse doit être obtenu dans un temps de réponse compris entre 50 à 100 ms, temps de réponse compatible avec la plupart des dispositifs de freinage par friction.Many vehicles equipped with a friction braking system have a wheel anti-lock (or anti-skid) system associated with the friction braking system. In fact, if the braking torque is too high in relation to the speed of the braked vehicle and the friction coefficient of the wheel tires relative to the ground, the braking system blocks the wheels, which then skid on the ground: such skidding reduces the vehicle's ability to maneuver and causes rapid wear and heating of the tires, which can burst. To prevent the wheel from locking, the anti-lock system compares the rotation speed of the wheels to the speed of the vehicle and controls the actuator to release the pressing force when the gear ratio is greater than a threshold (corresponding approximately to the circumference of the wheel). To obtain effective anti-lock, the release of the pressing force must be obtained in a response time of between 50 and 100 ms, a response time compatible with most friction braking systems.
Sont en outre connus des dispositifs de freinage magnétique à courant de Foucault (dénommé « Eddy curent » en anglais) utilisés pour le freinage de roues de véhicules et plus particulièrement de roues d’aéronef. Le document FR-A-3122405 décrit un tel dispositif comprenant un rotor lié en rotation à la roue, deux stators qui encadrent le rotor et qui sont liés en rotation à l’arbre support de roue et libres en translation par rapport audit arbre, des aimants pour produire un flux magnétique axial entre les stators et le rotor, et des actionneurs linéaires pour déplacer axialement les stators entre une position de freinage maximal dans laquelle les stators sont rapprochés du rotor et une position de libre rotation dans laquelle les stators sont éloignés du rotor.Eddy current magnetic braking devices are also known, used for braking vehicle wheels and more particularly aircraft wheels. Document FR-A-3122405 describes such a device comprising a rotor rotatably connected to the wheel, two stators which surround the rotor and which are rotatably connected to the wheel support shaft and free in translation relative to said shaft, magnets for producing an axial magnetic flux between the stators and the rotor, and linear actuators for axially moving the stators between a maximum braking position in which the stators are close to the rotor and a free rotation position in which the stators are far from the rotor.
Dans un dispositif de freinage magnétique à courant de Foucault, le couple de freinage produit est d’autant plus important que la vitesse de rotation relative du rotor par rapport aux stators est élevée et le couple de freinage décroit avec la vitesse de rotation relative. Pour cette raison, il n’était pas envisagé de système anti-blocage des roues. Or, il est apparu que le risque de blocage de la roue existait aussi avec un dispositif de freinage à courant de Foucault.In an eddy current magnetic braking device, the braking torque produced is all the greater as the relative rotation speed of the rotor in relation to the stators is high and the braking torque decreases with the relative rotation speed. For this reason, an anti-lock system for the wheels was not envisaged. However, it appeared that the risk of wheel locking also existed with an eddy current braking device.
Il a donc été envisagé de piloter les actionneurs pour écarter les stators du rotor exactement comme dans un système antiblocage de dispositif de freinage par friction. Cependant, on a déterminé que la course des actionneurs nécessaire à une diminution suffisante du couple de freinage pour éviter le blocage de la roue est cinq fois plus grande avec un dispositif de freinage magnétique qu’avec un dispositif de freinage par friction. Il en résulte que les dispositifs de freinage magnétiques classiques ont un temps de réponse trop élevé pour permettre d’obtenir un antiblocage efficace.It was therefore considered to drive the actuators to move the stators away from the rotor in exactly the same way as in a friction brake anti-lock system. However, it was determined that the actuator travel required to sufficiently reduce the braking torque to prevent wheel lock is five times greater with a magnetic brake than with a friction brake. As a result, conventional magnetic brakes have too long a response time to provide effective anti-lock.
OBJET DE L’INVENTIONSUBJECT OF THE INVENTION
L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif de freinage remédiant au moins en partie aux inconvénients précités.The invention aims in particular to propose a braking device which at least partially overcomes the aforementioned drawbacks.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un dispositif de freinage magnétique à courant de Foucault pour roue de véhicule, comprenant au moins un élément statorique agencé pour être lié en rotation à une partie du véhicule supportant la roue, un élément rotorique agencé pour être lié en rotation à la roue, des aimants pour produire entre lesdits éléments un flux magnétique susceptible d’engendrer des courants de Foucault dans l’un des éléments lorsque la roue tourne, et une unité de commande de freinage recevant en entrée une commande de freinage pour appliquer un effort de freinage en fonction de la commande de freinage. Les aimants comprennent au moins un électroaimant et le dispositif comprend au moins une unité de commande d’antiblocage recevant en entrée un signal de vitesse du véhicule et un signal de vitesse de rotation de la roue et fournissant en sortie un signal de commande de l’électroaimant en fonction d’une comparaison de vitesses issues des signaux reçus en entrée.For this purpose, the invention provides an eddy current magnetic braking device for a vehicle wheel, comprising at least one stator element arranged to be connected in rotation to a part of the vehicle supporting the wheel, a rotor element arranged to be connected in rotation to the wheel, magnets for producing between said elements a magnetic flux capable of generating eddy currents in one of the elements when the wheel rotates, and a braking control unit receiving as an input a braking command for applying a braking force according to the braking command. The magnets comprise at least one electromagnet and the device comprises at least one anti-lock control unit receiving as an input a vehicle speed signal and a wheel rotation speed signal and providing as an output a control signal for the electromagnet according to a comparison of speeds from the signals received as an input.
La comparaison de vitesses issues des signaux reçus en entrée permet au moins à l’unité de commande d’antiblocage de détecter un blocage de la roue et de fournir en sortie un signal de commande de l’électroaimant pour remédier à ce blocage. En pilotant l’électroaimant, on peut très rapidement annuler le flux magnétique produit et donc annuler le couple de freinage. On a ainsi pu constater que l’antiblocage utilisant un électroaimant est plusieurs fois plus rapide que l'antiblocage utilisant la modification de l’entrefer stator/rotor en vue d’augmenter ou diminuer le couple de freinage dans un dispositif de freinage à courant de Foucault. En effet, lorsque l'entrefer est augmenté, le couple de freinage met plus de temps à diminuer que lorsque le courant de l’électroaimant est diminué. Le même phénomène peut être observé lorsque l'entrefer est diminué : le couple de freinage prend plus de temps à augmenter que lorsqu'on augmente le courant de l’électroaimant. Le temps de réponse de l’antiblocage par modification du courant de l’électroaimant est donc relativement faible : la modification du courant d’alimentation de l’électroaimant permet une amplitude de variation du couple de freinage équivalente à un relâchement rapide de l’effort de presse pour un dispositif de freinage par friction. En outre, le circuit de commande de l’antiblocage peut avoir une réponse dynamique rapide.The comparison of speeds from the signals received at the input allows at least the anti-lock control unit to detect a wheel lock and to provide an output signal to control the electromagnet to remedy this lock. By controlling the electromagnet, the magnetic flux produced can be very quickly cancelled and therefore the braking torque can be cancelled. It has thus been observed that anti-lock using an electromagnet is several times faster than anti-lock using the modification of the stator/rotor air gap in order to increase or decrease the braking torque in an eddy current braking device. Indeed, when the air gap is increased, the braking torque takes longer to decrease than when the electromagnet current is decreased. The same phenomenon can be observed when the air gap is decreased: the braking torque takes longer to increase than when the electromagnet current is increased. The response time of the anti-lock braking system by changing the electromagnet current is therefore relatively low: changing the electromagnet supply current allows a variation amplitude of the braking torque equivalent to a rapid release of the press force for a friction braking device. In addition, the anti-lock control circuit can have a rapid dynamic response.
De préférence, l’unité de commande d’antiblocage est agencée pour commander l’électroaimant pour engendrer une diminution du couple de freinage en cas de détection d’un blocage de la roue puis une augmentation du couple de freinage lorsque le blocage disparaît, l’unité de commande d’antiblocage commandant l’électroaimant de telle manière que l’augmentation du couple de freinage soit plus lente que la diminution du couple de freinage.Preferably, the anti-lock control unit is arranged to control the electromagnet to cause a reduction in the braking torque when a wheel lock is detected and then an increase in the braking torque when the lock disappears, the anti-lock control unit controlling the electromagnet such that the increase in the braking torque is slower than the decrease in the braking torque.
Ceci permet de limiter le risque d’un blocage rapide de la roue à l’application de l’effort de freinage.This limits the risk of the wheel locking quickly when braking force is applied.
L’invention concerne également une roue freinée équipée d’un tel dispositif ; un atterrisseur comprenant une jambe ayant une extrémité portant un arbre sur lequel est monté le moyeu d’une telle roue, l’élément statorique du dispositif de freinage étant lié en rotation à la jambe via l’arbre ; et un aéronef équipé d’un tel atterrisseur.The invention also relates to a braked wheel equipped with such a device; a landing gear comprising a leg having one end carrying a shaft on which the hub of such a wheel is mounted, the stator element of the braking device being rotationally linked to the leg via the shaft; and an aircraft equipped with such a landing gear.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from reading the following description of particular and non-limiting embodiments of the invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :Reference will be made to the attached drawings, including:
En référence aux figures 1 à 3, le système de freinage selon l’invention est porté par un aéronef 100 comportant des atterrisseurs 101. Chaque atterrisseur 101 comporte une jambe ayant une extrémité pourvue de deux arbres 102 coaxiaux sur chacun desquels est montée pour pivoter une roue 103. Chaque roue 103 comporte de façon connue en soi un moyeu 104 monté pour pivoter sur l’arbre 102 et une jante 105 reliée au moyeu 104 par un voile 106. La jante 105 et le moyeu 104 définissent entre eux un espace annulaire ayant une extrémité fermée par le voile 106 et une extrémité ouverte vers l’extérieur de la roue 103. La jante 105 est ceinturée par un pneumatique non représenté.With reference to Figures 1 to 3, the braking system according to the invention is carried by an aircraft 100 comprising landing gears 101. Each landing gear 101 comprises a leg having one end provided with two coaxial shafts 102 on each of which a wheel 103 is mounted to pivot. Each wheel 103 comprises, in a manner known per se, a hub 104 mounted to pivot on the shaft 102 and a rim 105 connected to the hub 104 by a web 106. The rim 105 and the hub 104 define between them an annular space having one end closed by the web 106 and one end open towards the outside of the wheel 103. The rim 105 is encircled by a tire not shown.
Selon l’invention, les roues 103 sont équipées d'un dispositif de freinage magnétique généralement désigné en 1, qui s’étend ici dans l’espace annulaire défini par la jante 105 et le moyeu 104.According to the invention, the wheels 103 are equipped with a magnetic braking device generally designated 1, which extends here in the annular space defined by the rim 105 and the hub 104.
Le dispositif de freinage magnétique 1 comprend des éléments fixes, ou stators 2, et des éléments mobiles, ou rotors 3.The magnetic braking device 1 comprises fixed elements, or stators 2, and moving elements, or rotors 3.
Plus précisément ici, les stators 2 et le rotor 3 sont en forme de disques, coaxiaux à la roue 103, ayant donc des axes centraux colinéaires. Le rotor 3 est disposé entre les deux stators 2 et a deux faces principales 3.1 opposées faisant face chacune à une face principale 2.1 d’un des stators 2. Les faces principales 2.1, 3.1 sont parallèles les unes aux autres.More precisely here, the stators 2 and the rotor 3 are in the form of discs, coaxial with the wheel 103, thus having collinear central axes. The rotor 3 is arranged between the two stators 2 and has two opposite main faces 3.1 each facing a main face 2.1 of one of the stators 2. The main faces 2.1, 3.1 are parallel to each other.
Les stators 2 sont liés en rotation à l’arbre 102 ou à la jambe de l’atterrisseur 101, ici par l’intermédiaire d’un tube de torsion 4 nervuré qui est fixé à une collerette externe de l’arbre 102 : les stators 2 sont engagés sur le tube de torsion 4. Le rotor 3 est lié en rotation à la roue 103, ici à la jante 105 de la roue 103 par l’intermédiaire de barrettes s’étendant en saillie vers l’intérieur de la jante 105. Ainsi, le rotor 3 tourne sur lui-même autour de son axe central par rapport aux stators 2 qui l’encadrent : pendant ce déplacement du rotor 3 selon une direction circonférentielle, les faces principales 3.1 restent en regard des faces principales 2.1 et parallèles à celles-ci.The stators 2 are rotationally connected to the shaft 102 or to the leg of the landing gear 101, here by means of a ribbed torque tube 4 which is fixed to an external collar of the shaft 102: the stators 2 are engaged on the torque tube 4. The rotor 3 is rotationally connected to the wheel 103, here to the rim 105 of the wheel 103 by means of bars extending in projection towards the inside of the rim 105. Thus, the rotor 3 rotates on itself around its central axis relative to the stators 2 which frame it: during this movement of the rotor 3 in a circumferential direction, the main faces 3.1 remain opposite the main faces 2.1 and parallel to them.
Chacun des stators 2 est monté pour coulisser (sans rotation) sur le tube de torsion 4 pour être mobile selon une direction axiale du tube de torsion 4 entre une première position, ou position de freinage maximal, dans laquelle le rotor 3 et le stator 2 sont rapprochés l’un de l’autre et ont leurs faces principales 3.1, 2.1 séparées par un premier entrefer prédéterminé et une deuxième position, ou position de rotation libre, dans laquelle le rotor 3 et le stator 2 sont écartés l’un de l’autre et ont leurs faces principales 3.1, 2.1 séparées par un deuxième entrefer prédéterminé supérieur au premier entrefer prédéterminé. Chaque stator 2 est relié par un mécanisme symbolisé en 5 à au moins un actionneur électromécanique symbolisé en 6, commandable par le pilote de l’avion de manière connue en elle-même, pour actionner le mécanisme 5 qui déplace le stator 2 entre les deux positions précitées. Par exemple : l’actionneur peut être un actionneur linéaire et le mécanisme peut être une liaison directe de l’élément mobile de l’actionneur au stator ou comprendre un ou plusieurs leviers intermédiaires ; l’actionneur peut être rotatif et le mécanisme un système vis/écrou. Il est de préférence prévu une butée axiale, de type butée à roulement ou butée à aiguilles, interposée entre le rotor 3 et les stators 2 (ou entre des parties liées à ceux-ci) pour s’assurer que les stators 2 ne puissent être rapprochés du rotor 3 au-delà du premier entrefer.Each of the stators 2 is mounted to slide (without rotation) on the torque tube 4 to be movable in an axial direction of the torque tube 4 between a first position, or maximum braking position, in which the rotor 3 and the stator 2 are close to each other and have their main faces 3.1, 2.1 separated by a first predetermined air gap and a second position, or free rotation position, in which the rotor 3 and the stator 2 are spaced apart from each other and have their main faces 3.1, 2.1 separated by a second predetermined air gap greater than the first predetermined air gap. Each stator 2 is connected by a mechanism symbolized at 5 to at least one electromechanical actuator symbolized at 6, controllable by the pilot of the aircraft in a manner known per se, to actuate the mechanism 5 which moves the stator 2 between the two aforementioned positions. For example: the actuator may be a linear actuator and the mechanism may be a direct connection of the movable element of the actuator to the stator or comprise one or more intermediate levers; the actuator may be rotary and the mechanism a screw/nut system. An axial stop, of the rolling bearing or needle bearing type, is preferably provided, interposed between the rotor 3 and the stators 2 (or between parts connected to them) to ensure that the stators 2 cannot be brought closer to the rotor 3 beyond the first air gap.
Chaque stator 2 comporte une pluralité d’aimants permanents 7 ayant des champs magnétiques aptes à engendrer des courants de Foucault dans le rotor 3 lorsque le stator 2 est dans la première position et que le rotor 3 pivote en face du stator 2. Les aimants permanents 7, ici à base de terres rares, sont de préférence fixés sur un support 8 par exemple en acier magnétique.Each stator 2 comprises a plurality of permanent magnets 7 having magnetic fields capable of generating eddy currents in the rotor 3 when the stator 2 is in the first position and the rotor 3 pivots opposite the stator 2. The permanent magnets 7, here based on rare earths, are preferably fixed on a support 8 for example made of magnetic steel.
Chaque stator 2 comporte également une pluralité d’électroaimants 9 fixés sur le support 8 en alternance avec les aimants permanents 7. Les électroaimants 9 comportent une bobine reliée à une source de courant et sont dimensionnés pour pouvoir engendrer un champ magnétique annulant le champ magnétique produit les aimants permanents 7 voire inversant le champ magnétique émis par le stator 2.Each stator 2 also comprises a plurality of electromagnets 9 fixed on the support 8 alternately with the permanent magnets 7. The electromagnets 9 comprise a coil connected to a current source and are sized to be able to generate a magnetic field cancelling the magnetic field produced by the permanent magnets 7 or even reversing the magnetic field emitted by the stator 2.
Le rotor 3 est en cuivre ou en tout autre matériau électriquement conducteur. Le rotor 3 a une épaisseur telle qu’un effet de peau (autrement appelé effet pelliculaire ou effet Kelvin) soit engendré depuis chaque face 3.1 du rotor 3 sur plus de la moitié de l’épaisseur du rotor 3 au moins sur une plage de vitesses relatives possibles du rotor 3 par rapport aux stators 2. Les courants de Foucault engendrés depuis les deux faces 3.1 vont alors circuler dans la partie centrale du rotor 3, ce qui va augmenter le couple de freinage. On obtient ainsi une « superposition des effets de peau », l’épaisseur du rotor 3 étant suffisamment faible pour obtenir cet effet tout en satisfaisant les contraintes thermiques et mécaniques. Dans un exemple, cet effet donne environ 60% de performance en plus.The rotor 3 is made of copper or any other electrically conductive material. The rotor 3 has a thickness such that a skin effect (otherwise called a skin effect or Kelvin effect) is generated from each face 3.1 of the rotor 3 over more than half of the thickness of the rotor 3 at least over a range of possible relative speeds of the rotor 3 relative to the stators 2. The eddy currents generated from the two faces 3.1 will then circulate in the central part of the rotor 3, which will increase the braking torque. This results in a “superposition of skin effects”, the thickness of the rotor 3 being sufficiently small to obtain this effect while satisfying the thermal and mechanical constraints. In one example, this effect gives approximately 60% more performance.
On va maintenant s’intéresser plus en détail à la commande du freinage.We will now look in more detail at the brake control.
On comprend que pour provoquer le freinage, les actionneurs électromécaniques 6 sont pilotés pour amener les stators 2 dans la première position et que, pour interrompre le freinage, les actionneurs électromécaniques 6 sont pilotés pour amener les stators 2 dans la deuxième position, position dans laquelle les aimants permanents 7 ne permettent pas d’engendrer dans le rotor 3 des courants de Foucault suffisants pour provoquer le freinage du rotor 3.It is understood that to cause braking, the electromechanical actuators 6 are controlled to bring the stators 2 into the first position and that, to interrupt braking, the electromechanical actuators 6 are controlled to bring the stators 2 into the second position, a position in which the permanent magnets 7 do not allow sufficient eddy currents to be generated in the rotor 3 to cause braking of the rotor 3.
On notera qu’en dessous d’une certaine vitesse de rotation du rotor 3, le couple de freinage est négligeable quelle que soit la position des stators 2. Il faudra alors éventuellement envisager un frein additionnel.It should be noted that below a certain rotation speed of the rotor 3, the braking torque is negligible regardless of the position of the stators 2. It may then be necessary to consider an additional brake.
On comprend également qu’on peut interrompre le freinage en alimentant les électroaimants 9 de manière à annuler le champ magnétique produit par les aimants permanents 7.It is also understood that braking can be interrupted by supplying power to the electromagnets 9 so as to cancel the magnetic field produced by the permanent magnets 7.
Le circuit de commande 10 des actionneurs électromécaniques 6 et des électroaimants 9 va maintenant être décrit en relation avec la
Le circuit de commande de freinage 10 définit une boucle d’asservissement de freinage et comprend une unité de commande de freinage 11 (ou BCU) ayant :
- une première entrée reliée à l’instrument de commande de freinage actionnée par le pilote de l’aéronef 100,
- une deuxième entrée reliée à la voie retour de la boucle de freinage,
- une première sortie reliée à une première entrée d’un premier sommateur 12,
- une deuxième sortie reliée à une première entrée d’un deuxième sommateur 13.
- a first input connected to the braking control instrument actuated by the pilot of the aircraft 100,
- a second input connected to the return path of the braking loop,
- a first output connected to a first input of a first adder 12,
- a second output connected to a first input of a second adder 13.
Le premier sommateur 12 a une sortie reliée à une entrée d’une unité de commande d’actionneurs 14 (ou ACU) ayant une sortie reliée aux actionneurs 6.The first adder 12 has an output connected to an input of an actuator control unit 14 (or ACU) having an output connected to the actuators 6.
Le deuxième sommateur 13 a une sortie reliée à une entrée d’une unité de commande d’électroaimants 15 (ou CCU) ayant une sortie reliée aux électroaimants 9.The second adder 13 has an output connected to an input of an electromagnet control unit 15 (or CCU) having an output connected to the electromagnets 9.
Le circuit de commande de freinage 10 comprend en outre une unité de commande d’antiblocage 16 ayant :
- une première entrée reliée à un bus de communication de l’aéronef 100 pour recevoir notamment la vitesse de l’aéronef 100 fournie par des capteurs de l’aéronef 100, comme la vitesse par rapport au sol (inertielle, GNSS ou hybride) fournie par l’unité de navigation de l’aéronef 100 ;
- une deuxième entrée reliée à un capteur de vitesse angulaire 17 agencé pour déterminer la vitesse de rotation des roues 103 ;
- une première sortie reliée à une deuxième entrée du premier sommateur 12 ;
- une deuxième sortie reliée à une deuxième entrée du deuxième sommateur 13.
- a first input connected to a communication bus of the aircraft 100 to receive in particular the speed of the aircraft 100 provided by sensors of the aircraft 100, such as the speed relative to the ground (inertial, GNSS or hybrid) provided by the navigation unit of the aircraft 100;
- a second input connected to an angular speed sensor 17 arranged to determine the rotation speed of the wheels 103;
- a first output connected to a second input of the first adder 12;
- a second output connected to a second input of the second adder 13.
Les unités 11, 14, 15 et 16 sont des unités électroniques dont la structure est connue en elle-même. Elles peuvent comprendre un ou plusieurs circuits intégrés, microcontrôleurs, FPGA ou autres.Units 11, 14, 15 and 16 are electronic units whose structure is known in itself. They may include one or more integrated circuits, microcontrollers, FPGAs or others.
L’unité de commande de freinage 11 comprend par exemple un calculateur sous la forme ici d’un circuit intégré programmé pour traiter les signaux provenant sur ses entrées de manière à élaborer :
- un signal de commande de freinage actionneurs envoyé sur la première sortie ;
- un signal de commande de freinage électroaimants envoyé sur la deuxième sortie.
- a brake actuator control signal sent to the first output;
- an electromagnet brake control signal sent to the second output.
L’unité de commande d’antiblocage 16 comprend par exemple un calculateur sous la forme ici d’un circuit intégré programmé pour traiter les signaux provenant sur ses entrées de manière à élaborer :
- un signal de commande d’antiblocage actionneurs envoyé sur la première sortie ;
- un signal de commande d’antiblocage électroaimants envoyé sur la deuxième sortie.
- an anti-lock actuator control signal sent to the first output;
- an anti-lock electromagnet control signal sent to the second output.
Le premier sommateur 12 fournit en sortie un signal de commande actionneurs (correspondant soit au signal de commande de freinage actionneurs soit au signal de commande d’antiblocage actionneurs comme on le verra plus tard).The first adder 12 provides an actuator control signal as output (corresponding either to the actuator braking control signal or to the actuator anti-lock control signal as we will see later).
Le deuxième sommateur 13 fournit en sortie un signal de commande électroaimants (correspondant soit au signal de commande de freinage électroaimants soit au signal de commande d’antiblocage électroaimants comme on le verra plus tard).The second adder 13 provides an electromagnet control signal as output (corresponding either to the electromagnet braking control signal or to the electromagnet anti-lock control signal as we will see later).
L’unité de commande d’actionneurs 14 comprend par exemple un calculateur sous la forme ici d’un circuit intégré programmé pour traiter le signal de commande actionneurs arrivant sur son entrée de manière à élaborer, via un circuit de puissance associé au circuit de commande, un signal de puissance actionneurs pour alimenter les actionneurs 6.The actuator control unit 14 comprises, for example, a calculator in the form here of an integrated circuit programmed to process the actuator control signal arriving at its input so as to produce, via a power circuit associated with the control circuit, an actuator power signal to power the actuators 6.
L’unité de commande d’électroaimants 15 comprend par exemple un circuit de commande sous la forme ici d’un circuit intégré programmé pour traiter le signal de commande électroaimants arrivant sur son entrée de manière à élaborer, via un circuit de puissance associé au circuit de commande, un signal de puissance électroaimants pour alimenter les électroaimants 9. Comme visible sur la
En fonctionnement, l’unité de commande d’antiblocage 16 a en mémoire le rayon des pneumatiques utilisés sur l’aéronef 100 et peut, à partir dudit rayon, de la vitesse angulaire de rotation fournie par le tachymètre 17 et de la vitesse de l’aéronef 100 fournie par le bus de communication, calculer un taux de dérapage et le comparer à un seuil ici fixé à 0,12 dans le cas d’une piste sèche (voir la
Tant qu'aucun dérapage n'est détecté, les électroaimants 9 et les actionneurs 6 sont commandés par l'unité de commande de freinage 11 uniquement, sans intervention de l’unité de commande d’antiblocage 16, pour délivrer un couple de freinage proportionnel à la commande de freinage du pilote. L'unité de commande de freinage 11 envoie des signaux de commande à l'unité de commande d'actionneurs 14 pour modifier la valeur de l’entrefer entre les stators 2 et le rotor 3 et/ou à l'unité de commande d’électroaimants 15 pour modifier le champ magnétique produit par les électroaimants 9 en fonction de l’effort de freinage requis par le pilote. La modification de l’entrefer par les actionneurs 6 et la modification du champ magnétique des électroaimants 9 va augmenter ou diminuer le couple de freinage et donc la vitesse de l'aéronef 100. La modification de l’entrefer par les actionneurs 6 joue sur le flux magnétique transmis au rotor 3 par les aimants permanents 7 et par les électroaimants 9 (à courant d’alimentation constant). La modification du courant d’alimentation des électroaimants 9 joue sur le flux magnétique transmis au rotor 3 par les électroaimants 9 et aussi sur le flux magnétique transmis par les aimants permanents 7 puisque les électroaimants 9 peuvent annuler le champ magnétique transmis par les aimants permanents 7.As long as no skidding is detected, the electromagnets 9 and the actuators 6 are controlled by the brake control unit 11 only, without intervention of the anti-lock control unit 16, to deliver a braking torque proportional to the braking command of the driver. The brake control unit 11 sends control signals to the actuator control unit 14 to modify the value of the air gap between the stators 2 and the rotor 3 and/or to the electromagnet control unit 15 to modify the magnetic field produced by the electromagnets 9 according to the braking force required by the driver. The modification of the air gap by the actuators 6 and the modification of the magnetic field of the electromagnets 9 will increase or decrease the braking torque and therefore the speed of the aircraft 100. The modification of the air gap by the actuators 6 affects the magnetic flux transmitted to the rotor 3 by the permanent magnets 7 and by the electromagnets 9 (at constant supply current). The modification of the supply current of the electromagnets 9 affects the magnetic flux transmitted to the rotor 3 by the electromagnets 9 and also the magnetic flux transmitted by the permanent magnets 7 since the electromagnets 9 can cancel the magnetic field transmitted by the permanent magnets 7.
A titre d’exemple, l’unité de commande de freinage 11 peut être paramétrée pour :
- n’agir que sur les actionneurs 6 tant que la vitesse de variation de l’effort de freinage demandée par le pilote (déterminée par exemple en fonction de l’amplitude de mouvement de l’instrument de commande manipulé par celui-ci) est inférieure à un seuil ; et
- agir conjointement sur les actionneurs 6 et les électroaimants 9 lorsque la vitesse de variation de l’effort de freinage demandée par le pilote (déterminée par exemple en fonction de l’amplitude de mouvement de l’instrument de commande manipulé par celui-ci) est supérieure au seuil.
- only act on actuators 6 as long as the speed of variation of the braking force requested by the pilot (determined for example as a function of the amplitude of movement of the control instrument manipulated by the latter) is below a threshold; and
- act jointly on the actuators 6 and the electromagnets 9 when the speed of variation of the braking force requested by the pilot (determined for example as a function of the amplitude of movement of the control instrument manipulated by the latter) is greater than the threshold.
Dans le deuxième cas, on comprend que la production du couple de freinage est répartie entre les aimants permanents 7 et les électroaimants 9. Cette répartition peut évoluer au cours du temps lors d’un freinage :
- au début du freinage, on agit sur les actionneurs 6 et les électroaimants 9 par une modification par exemple de même amplitude mais l’augmentation du flux magnétique des électroaimants 9 étant beaucoup plus rapide que celle du flux magnétique des aimants permanents 7, la part des électroaimants 9 dans l’accroissement du couple de freinage est plus importante,
- au fur et à mesure que le freinage se poursuit et que l’entrefer entre le rotor 3 et le stator 2 diminue, l’unité de commande de freinage 11 peut réduire le courant d’alimentation des électroaimants 9 de manière à équilibrer les contributions des aimants permanents 7 et des électroaimants 9 au couple de freinage, voire faire en sorte que la contribution des aimants permanents 7 vienne progressivement se substituer à celle des électroaimants 9.
- at the start of braking, the actuators 6 and the electromagnets 9 are acted upon by a modification, for example of the same amplitude, but the increase in the magnetic flux of the electromagnets 9 being much faster than that of the magnetic flux of the permanent magnets 7, the share of the electromagnets 9 in the increase in the braking torque is greater,
- as braking continues and the air gap between the rotor 3 and the stator 2 decreases, the braking control unit 11 can reduce the supply current of the electromagnets 9 so as to balance the contributions of the permanent magnets 7 and the electromagnets 9 to the braking torque, or even ensure that the contribution of the permanent magnets 7 gradually replaces that of the electromagnets 9.
L’unité de commande de freinage 11 peut être paramétrée de la même manière pour relâcher l’effort de freinage. D’autres stratégies de pilotage des actionneurs 6 et des électroaimants 9 sont bien entendu envisageables pour appliquer l’effort de freinage ou pour relâcher celui-ci.The brake control unit 11 can be configured in the same way to release the braking force. Other strategies for controlling the actuators 6 and the electromagnets 9 are of course conceivable for applying the braking force or for releasing it.
Dès qu'un dérapage est détecté, l’unité de commande antiblocage 16 envoie une interruption à l'unité de commande de freinage 11. Les sorties de l'unité de commande de freinage 11 sont bloquées et l’unité de commande antiblocage 16 prend le contrôle de la boucle de freinage. L’unité de commande antiblocage 16 envoie alors des signaux de commande à l'unité de commande d’électroaimants 15 pour modifier le champ magnétique produit par les électroaimants 9, et éventuellement à l'unité de commande d'actionneurs 14 pour modifier la valeur de l’entrefer entre les stators 2 et le rotor 3, en fonction de la différence entre la vitesse de l’aéronef calculée à partir de la vitesse de rotation des roues et de la vitesse de l’aéronef issue du bus de communication. L'unité de commande d'actionneurs 14 va envoyer une tension aux actionneurs 6 pour modifier la valeur de l'entrefer. L'unité de commande d’électroaimants 15 va envoyer une tension aux électroaimants 9 pour modifier le courant des électroaimants 9. Ces actions visent à diminuer le couple de freinage et à libérer/débloquer la roue 103 afin d'arrêter le dérapage.As soon as a skid is detected, the anti-lock control unit 16 sends an interrupt to the brake control unit 11. The outputs of the brake control unit 11 are blocked and the anti-lock control unit 16 takes control of the brake loop. The anti-lock control unit 16 then sends control signals to the electromagnet control unit 15 to modify the magnetic field produced by the electromagnets 9, and possibly to the actuator control unit 14 to modify the value of the air gap between the stators 2 and the rotor 3, depending on the difference between the speed of the aircraft calculated from the rotational speed of the wheels and the speed of the aircraft from the communication bus. The actuator control unit 14 will send a voltage to the actuators 6 to modify the value of the air gap. The electromagnet control unit 15 will send a voltage to the electromagnets 9 to modify the current of the electromagnets 9. These actions aim to reduce the braking torque and to release/unlock the wheel 103 in order to stop the skidding.
Une fois l’arrêt du dérapage détectée par l’unité de commande d’antiblocage 16, le couple est progressivement augmenté (à l'aide des électroaimants et/ou du réglage de l'entrefer) jusqu'à une valeur correspondant sensiblement au taux de glissement optimal théorique du contact pneumatique-sol (l’unité de commande d’antiblocage 16 a en mémoire une courbe telle que celle de la
Comme l’antiblocage utilisant les électroaimants 9 est plusieurs fois plus rapide que l'antiblocage utilisant les actionneurs 6 pour modifier l'entrefer en vue d’augmenter ou diminuer le couple, la modification du courant d’alimentation des électroaimants 9 est privilégié pour réaliser la fonction d’antiblocage et diminuer le couple de freinage. En effet, le couple de freinage doit diminuer brusquement pour que le blocage de la roue dure un minimum de temps. La
Si nécessaire, si une plus grande variation de couple est requise, l'entrefer peut également être modifié (par les actionneurs 6) en même temps que le courant des électroaimants 9 est modulé. Cette combinaison améliore l'efficacité de l'antiblocage du frein à courant de Foucault.If necessary, if a greater torque variation is required, the air gap can also be modified (by the actuators 6) at the same time as the current of the electromagnets 9 is modulated. This combination improves the anti-lock efficiency of the eddy current brake.
Autant la baisse du couple de freinage doit être la plus rapide possible, autant il est nécessaire d'assurer une augmentation progressive du couple de freinage après la baisse rapide du couple de freinage, par opposition à la brusque diminution du couple de freinage, comme illustrée à la
Les électroaimants permettent cette augmentation progressive du couple de freinage tout en évitant une instabilité dans la boucle antiblocage.The electromagnets allow this progressive increase in braking torque while avoiding instability in the anti-lock loop.
A cette fin, selon un premier mode de pilotage, les électroaimants sont pilotés entre trois états à partir d’une première valeur d’intensité positive, une deuxième valeur d’intensité nulle, et une troisième valeur d’intensité inverse de la première valeur.To this end, according to a first control mode, the electromagnets are controlled between three states from a first positive intensity value, a second zero intensity value, and a third intensity value inverse to the first value.
Un deuxième mode de pilotage consiste à modifier la constante de temps de la commande des électroaimants 9 directement dans l’unité de commande d’antiblocage 16 en fonction du couple de freinage requis. Ainsi, à titre d’exemple, le courant d’alimentation des électroaimants est piloté entre deux valeurs extrêmes correspondant à +100% et -100% d’une valeur maximale de courant par pas de 1%. Le couple de freinage est donc modulé de manière active.A second control mode consists in modifying the time constant of the control of the electromagnets 9 directly in the anti-lock control unit 16 as a function of the required braking torque. Thus, for example, the supply current of the electromagnets is controlled between two extreme values corresponding to +100% and -100% of a maximum current value in steps of 1%. The braking torque is therefore modulated actively.
Un troisième mode de pilotage comprend la combinaison du pilotage de l'entrefer et du pilotage du courant des électroaimants 9 par exemple selon l’un des deux premiers modes de pilotage.A third control mode includes the combination of air gap control and control of the current of the electromagnets 9, for example according to one of the first two control modes.
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.Of course, the invention is not limited to the embodiments described but encompasses any variant falling within the scope of the invention as defined by the claims.
En particulier, le dispositif peut avoir une structure différente de celle décrite.In particular, the device may have a structure different from that described.
Les aimants peuvent être portés par le rotor au lieu du stator, deux rotors encadrant un stator.The magnets can be carried by the rotor instead of the stator, with two rotors surrounding a stator.
La forme, l’agencement et les dimensions des aimants peuvent être différents de ceux décrits ou représentés. Par exemple, les aimants peuvent avoir des dimensions différentes et/ou être agencés selon un motif de HALBACH.The shape, arrangement and dimensions of the magnets may differ from those described or shown. For example, the magnets may have different dimensions and/or be arranged in a HALBACH pattern.
Le nombre de rotors et/ou le nombre de stators peuvent être différents de ceux mentionnés.The number of rotors and/or the number of stators may be different from those mentioned.
Bien que le rotor et le stator aient été décrits sous la forme de disques parallèles et en regard l’un de l’autre, le stator et le rotor peuvent avoir d’autres formes. Le dispositif décrit est à flux axial mais l’invention est applicable à un fonctionnement en flux radial ou un fonctionnement hybride combinant un flux axial et un flux radial. Ainsi, les stators peuvent par exemple être agencés sous la forme d’un tambour externe et d’un tambour interne entre lesquels s’étend un tambour central formant le rotor de telle manière que le tambour central ait une surface extérieure en regard d’une surface intérieure du tambour externe et une surface intérieure en regard d’une surface extérieure du tambour interne. Les aimants sont portés par la surface extérieure du tambour interne et par la surface intérieure du tambour externe.Although the rotor and stator have been described in the form of parallel disks facing each other, the stator and rotor may have other shapes. The device described is axial flux but the invention is applicable to radial flux operation or hybrid operation combining axial flux and radial flux. Thus, the stators may for example be arranged in the form of an outer drum and an inner drum between which extends a central drum forming the rotor in such a way that the central drum has an outer surface facing an inner surface of the outer drum and an inner surface facing an outer surface of the inner drum. The magnets are carried by the outer surface of the inner drum and by the inner surface of the outer drum.
Le dispositif de freinage magnétique selon l’invention peut être associé à un dispositif de freinage par friction classique qui comprend des organes de friction, par exemple une pile de disques de carbone, et une pluralité d’actionneurs électromécaniques portés par un porte-actionneurs. Chaque actionneur électromécanique comprend un moteur électrique et un poussoir apte à être déplacé par le moteur électrique pour presser la pile de disques. L’actionneur électromécanique est ainsi destiné à produire un effort de freinage commandé sur la pile de disques. Un mode de pilotage des dispositifs de freinage est par exemple connu du document FR-A-2953196.The magnetic braking device according to the invention can be associated with a conventional friction braking device which comprises friction members, for example a stack of carbon disks, and a plurality of electromechanical actuators carried by an actuator holder. Each electromechanical actuator comprises an electric motor and a pusher capable of being moved by the electric motor to press the stack of disks. The electromechanical actuator is thus intended to produce a controlled braking force on the stack of disks. A method of controlling the braking devices is for example known from document FR-A-2953196.
En variante, les aimants peuvent être directement fixés sur les disques rotoriques ou les disques statoriques du frein à friction, ou les aimants peuvent être recouverts d’une garniture de friction, de sorte que le dispositif de freinage assure un freinage magnétique pour ralentir la roue quand les disques sont écartés les uns des autres d’un entrefer adéquat et un freinage par friction lorsque les disques sont appliqués les uns contre les autres. Il n’y a donc plus de butée axiale entre les disques dans ce mode de réalisation.Alternatively, the magnets may be directly attached to the rotor discs or stator discs of the friction brake, or the magnets may be covered with a friction lining, so that the braking device provides magnetic braking to slow the wheel when the discs are spaced apart from each other by an adequate air gap and friction braking when the discs are applied against each other. There is therefore no longer any axial stop between the discs in this embodiment.
Il est possible d’utiliser, pour l’actionnement mécanique du dispositif de freinage magnétique, un actionneur agissant sur plusieurs stators coulissant dans le même sens pour être rapprochés du rotor adjacent, plutôt qu’un actionneur pour chaque stator. Un unique actionneur peut également agir sur deux stators pour les déplacer dans des sens opposés.For the mechanical actuation of the magnetic braking device, it is possible to use an actuator acting on several stators sliding in the same direction to be brought closer to the adjacent rotor, rather than an actuator for each stator. A single actuator can also act on two stators to move them in opposite directions.
Les électroaimants 9 sont ici pilotés pour produire le couple de freinage avec les aimants permanents. Il est envisageable qu’ils ne servent qu’en cas de blocage pour annuler le champ magnétique des aimants permanents. De préférence cependant, les électroaimants sont pilotés pour fonctionner avec les aimants permanents de manière à compléter le réseau d'aimants, et donc le champ, pour qu'il fonctionne de manière optimale. Ceci est particulièrement le cas avec un réseau de Halbach où l'interaction entre les aimants adjacents dans le réseau d'aimants est importante.The electromagnets 9 are here driven to produce the braking torque with the permanent magnets. It is conceivable that they are only used in the event of a blockage to cancel the magnetic field of the permanent magnets. Preferably, however, the electromagnets are driven to operate with the permanent magnets so as to complete the magnet network, and thus the field, so that it functions optimally. This is particularly the case with a Halbach network where the interaction between adjacent magnets in the magnet network is important.
Le dispositif ne peut comprendre que des électroaimants.The device can only include electromagnets.
L'exemple de logique illustré à la
Les modes de pilotage peuvent être combinés par exemple en fonction d’informations externes telles que l’état de la piste ou les conditions atmosphériques pour déterminer des premières conditions externes dans lesquelles un pilotage grossier des électroaimants suffit (premier mode de pilotage), des deuxièmes conditions nécessitant un pilotage fin (deuxième mode de pilotage) et des troisièmes conditions nécessitant un pilotage fin de plus grande amplitude (troisième mode de pilotage). Tout paramètre utile (vitesse de l’aéronef, vitesse de la roue, couple…) peut être utilisé pour réaliser une boucle d’asservissement ou de rétroaction dans la commande du système de freinage.The control modes can be combined, for example, based on external information such as the state of the runway or atmospheric conditions to determine first external conditions in which coarse control of the electromagnets is sufficient (first control mode), second conditions requiring fine control (second control mode) and third conditions requiring fine control of greater amplitude (third control mode). Any useful parameter (aircraft speed, wheel speed, torque, etc.) can be used to create a servo or feedback loop in the control of the braking system.
D’autres modes d’actionnement du frein magnétique sont envisageables : par exemple uniquement au moyen de bobines engendrant un champ magnétique annulant celui des aimants permanents, rotors et stators étant fixes axialement.Other methods of actuation of the magnetic brake are possible: for example, solely by means of coils generating a magnetic field cancelling that of the permanent magnets, rotors and stators being axially fixed.
En variante, Le premier sommateur 12 peut fournir en sortie un courant de commande actionneurs résultant de la soustraction du signal de commande d’antiblocage actionneurs au signal de commande de freinage actionneurs. De la même manière, le deuxième sommateur 13 peut fournir en sortie un courant de commande électroaimants résultant de la soustraction du signal de commande d’antiblocage électroaimants au signal de commande de freinage électroaimants.Alternatively, the first summer 12 may output an actuator control current resulting from subtracting the actuator anti-lock control signal from the actuator brake control signal. Similarly, the second summer 13 may output an electromagnet control current resulting from subtracting the electromagnet anti-lock control signal from the electromagnet brake control signal.
Le support 8 peut être en un matériau non magnétique.The support 8 may be made of a non-magnetic material.
L’invention est utilisable sur tout type de véhicule, par exemple des véhicules aériens, terrestres ou amphibies, ou pour d’autres applications qu’un véhicule, par exemple pour tout équipement mobile industriel ou de transport nécessitant un freinage.The invention can be used on any type of vehicle, for example aerial, land or amphibious vehicles, or for applications other than a vehicle, for example for any industrial or transport mobile equipment requiring braking.
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