Brevet FR2306561A1 — publié le 19761029

La présente invention se rapporte à un dispositif de contact électrique d'une machine, en particulier d'une machine unipolaire avec des parties de machine disposées concentriquement par rapport à un axe et mobiles l'une par rapport à l'autre, un entrefer annulaire étant formé entre ces parties de machine et renfermant dans une zone de contact un fluide de contact. Pour pouvoir transmettre de forts courants à partir ou vers des pièces de machine tournant très rapidement, on doit utiliser des contacts à courants forts appropriés pour de hautes vitesses de déplacement de contacts. On a besoin de tels contacts à courants forts par exemple pour des turbo-génératrices à forte puissance, en particulier également pour des machines unipolaires. On peut utiliser pour de telles machines des contacts glissants à balais, mais avec de grandes difficultés car ces contacts ne supportent qu'une relativement faible charge en courant. Ainsi, on voit par exemple dans la revue "Electronics and Power" Vol. 18 (1972), pages 8 à 10, une machine unipolaire à balais se composant de fibres de carbone à plaquage métallique.De tels balais sont étudiés pour une densité de courant de 47 A/cm2 pour une chute de tension de 2 V et une vitesse de 90 m/sec et ont donc avec leur dispositif de fixation un encombrement important. En outre, il se produit dans le cas des contacts à balais ou à rouleaux connus, du fait de leurs zones de contact localement limitées, des concentrations de courant qui sont, en outre, accompagnées de distorsions de champ. Cette répartition irrégulière de courant provoque donc en général de fortes pertes électriques. Par contre, on sait que l'utilisation de contacts fluidiques permet une répartition régulière en courant et une augmentation substantielle des densités de courant ainsi que de la vitesse relative des pièces de machine servant d'électrodes. En général, de tels dispositifs de contact se composent d'éléments de contact métalliques faisant office d'électrodes entre lesquelles on dispose un fluide de contact bon conducteur.Du fait que l'on obtient ainsi des surfaces de contact actives relativement grandes entre les éléments de contact généralement cylindriques et le fluide de contact, ces dispo ssitifP prdeentant déjà pour de faibles tensions de contact une bonne conductibilité du courant et par conséquent de faibles pertes électriques, on peut, en utilisant les contacts fluidiques, même pour de grandes vitesses de déplacement du contact transmettre de intensités de courant plus élevées qu'avec les dispositifs connus à contact glissant D'après la revue 'XElectrotechnik und Maschinenbau* de 1974, page 104, on contact un moteur unipolaire, comportant un enroulement d'excitation supraconducteur et des contacts fluidiques, dont l'arbre moteur comporte des disaues annulaires disposés côte à côte suivant la direction de l'axe. Ces disques annulaires tournant avec le rotor sont chaque fois disposés en quinconce entre les disques annulaires similairement conformés et fixés sur le stator du motev. Un alliage fluide de mercure et d'indium remplit complètement l'entrefer compris entre les disques fixes et le disque rotatif. Cependant la largeur d'entrefer comprise entre les faces latérales voisines et parallèles entre elles des disques fixes et rotatifs est relativement faible. Nais, plus un tel entrefer est étroit,plus les pertes par frottements dans le fluide contact sont élevées. Ces pertes peuvent devenir si élevées que leur élimination ne peut se faire qu'avec des difficultés, réduisant ainsi de façon inadmissible le rendement de la machine. C'est pourquoi ce moteur unipolaire est prévu pour une vitesse de rotation relativement basse et ne convient pas pour les machines unipolaires entratnées directement par des turbines et ayant une puissance plus élevée, avec une vitesse de rotation se montant par exemple à 3 à 4000 tours/minute. Pour la transmission du courant, il est plus indiqué d'utiliser des fluides de contact bons conducteurs maintenus par la force centrifuge dans des rigoles rotatives semi-ouvertes. Dans ces dispositifs de contact connus, un élément de contact fixe plonge dans le fluide sur tout le pourtour. Cependant, dans de tels dispositifs de contact, le frottement entre l'élément de contact fixe et le fluide de contact est proportionnel à la surface immergée de ltélément de contact fixe, et ce frottement augmente plus vite que le carré de la vitesse de glissement.Cependant, pour des raisons technologiques, on ne peut pas-diminuer à volonté la surface de contact entre l'élément de contact fixe et le fluide de contact, car on ne peut pratiquement pas réduire la profondeur d'immersion en dessous de 0,2 à 0,3 mm à cause du åeu des roulements et des dilatations thermiques. C'est pourquoi on ne peut utiliser de tels contacts fluidiques que jusqu'à des vitesses de glissement d'environ 50 m/sec. A l'arrêt de la machine, le fluide contact peut bien entre maintenu dans la zone de contact par des joints à contact, mais ces joints n'ont qu'une durée de vie relativement faible et leur matériau, par exemple du caoutchouc, peut réagir avec le fluide de contact. La présente invention a donc pour objet un dispositif de contact électrique pour courants forts et grandes vites ses de transmission de courant, présentant en meme temps une résistance de contact relativement faible et de faibles pertes par frottements. En outre, le fluide contact doit être maintenu de façon simple dans la zone de contact. Selon la présente invention, un dispositif de contact du type précité est caractérisé par le fait qu'au moins dans la région marginale latérale de la zone de contact de la partie fixe de la machine et/ou de la partie rotative de la machine on dispose chaque fois au moins une unité magnétique électrique dont les enroulements sont disposés concentriquement autour de l'entrefer et produisent un champ électromagnétique mobile créant une composante de force maintenant le fluide de contact dans la zone de contact. Les avantages de ce mode de réalisation du dispositif de contact selon la présente invention résident en particulier dans le fait que le fluide de contact reste enfermé dans la zone de contact aussi bien lorsque le rotor de la machine précitée est au repos que lorsqu'il tourne, et ce, sans joints à contact et sans pertes de fluide. Etant donné qu'il peut se produire dans les deux parties marginales latérales de la zone de contact, de préférence à l'aide d'un champ mobile selon le principe du moteur linéaire asynchrone, des courants de Foucault dans le métal fluide du fluide de contact, et selon la direction périphérique de la partie de machine rotative, il s'exerce d'après la loi des forces de Lorentz une force perpendiculaire à la direction du flux magnétique dans l'entrefer, et perpendiculairement à la direction des courants de Foucault, cette force s'exerçant sur le fluide de contact. Ainsi, on élimine la possibilité d'un écoulement latéral du fluide de contact.Etant donné que les forces de rétention du fluide de contact sont indépendantes du mouvement relatif des deux parties de la machine, on peut utiliser ce dispositif de contact également de façon avantageuse pour des entrarnements réversibles, par exemple pour des entraSnements de navires, ainsi que pour des entraînements à grande vitesse de rotation. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif de contact, l'invention prévoit de conformer l'entrefer au moins approximativement en U tel que vu selon une coupe axiale, cet entrefer étant ouvert du cSté de l'axe, et les éléments magnétiques étant disposés dans des plans perpendiculaires à l'axe. Si la partie rotative de la machine est entourée par la partie fixe de la machine, la partie rotative de la machine peut présenter des dimensions plus faibles en direction axiale, car les éléments magnétiques, qui ont un encombrement déterminé, peuvent être disposés radialement sur les parties latérales de la partie fixe de la machine. Grâce à cette conformation on peut amener la masse en mouvement de la partie rotative de la machine à une valeur relativement faible.En outre, les forces de rétention produites par les éléments magnétiques peuvent être plus faibles que dans le cas d'un entrefer à section rectiligne et parallèle à l'axe. Grâce à cette conformation en U de la zone de contact dans l'entrefer, le fluide de contact est maintenu au moins partiellement dans la zone de contact, au-dessus d'une vitesse minimale déterminée, par les forces centrifuges s'exerçant su:T- le fluide de contact.Selon un autre mode de réalisation avantageux du dispositif de contact, la tension d'excitation ou le courant d'excitation peuvent entre pilotés ou également régulés dans les éléments magnétiques Grâce à la plus faible déperdition d'énergie dans les éléments magnétiques, on a un échauffement plus faible du fluide de contact dans la région du contact et également une amélioration correspondante de la possibilité de transmission de courant du fluide de contact, en particulier pour de grandes vitesses de rotation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé sur lequel les figures 1 à 3 sont des coupes schématiques des parties de machines unipolaires munies de dispositifs de contact conformes à la présente invention. Sur la figure 1, on a représenté la partie supérieure d'une partie de machine 3 montée mobile en rotation sur un axe 2 horizontal, cette partie de machine pouvant par exemple être le rotor d'une machine unipolaire. La surface extérieure 4 de cette partie rotative cylindrique 3 de machine est entourée d'une partie fixe 5 de machine en forme de cylindre creux de façon à former un entrefer annulaire 7 entre la surface interne 8 de la partie fixe de machine 5 faisant face à la partie rotative de machine 3 et la surface extérieure 4 de la partie rotative de machine 3. L'entrefer horizontal 7 présente, selon une section parallèle à l'axe, une forme pratiquement rectangulaire.Cet entrefer est partiellement rempli d'un fluide de contact F, par exemple d'un métal sous forme fluide, de préférence sodium-potassium, gallium ou gallium-indium, de façon qu'un courant utile I puisse circuler depuis la partie rotative de machine 3 via la surface 4, le fluide de contact F, et la surface 8 jusqu'à la partie de machine 5 fixe, ou en direction inverse. Ce courant utile I est représenté sur le dessin par une série de flèches isolées. Le fluide contact F est maintenu dans une zone de contact entre les deux surfaces 4 et 8 à l'aide de deux unités magnétiques 10 et 11. Ces éléments magnétiques 10 et 11 sont disposés dans les parties marginales latérales 12 et 13 respectivement de la zone de contact, dans la partie fixe 5 de machine, de façon à entourer pratiquement annulairement l'entrefer 7. Chacune des unités magnétiques 10 et 11 comportent un grand nombre d'enroulements disposés les uns à la suite des autres dans la direction de l'axe, et on a représenté sur la figure six de ces enroulements, respectivement référencés 15 et 20. En vue d'assurer un meilleur guidage du flux magnétique, ce système d'excitation est chaque fois disposé dans un corps feuilleté en fer doux 30 et 31 respectivement.A chacun de ces corps en fer doux 30 et 31, on associe, de façon concentrique, des corps en fer doux correspondants 32 et 33 respectivement dans la partie rotative de machine 3. Les corps en fer doux 30 à 33 sont contigus, avec les surfaces 8 et 4, à l'entrefer 7 . Grâce aux enroulements 15 et 20 des unités magnétiques 10 et 11, on peut exercer sur le fluide de contact F, dans les deux zones marginales 12 et 13, une force dont une composante agit, dans une direction parallèle à l'axe, depuis l'extérieur, sur le fluide de contact, et cherche à pousser le fluide de contact vers le centre de l'entrefer. Ces composantes de forces renfermantes sont chacune représenté sur la figure par un groupe de trois flèches parallèles 35 et 36 et sont de préférence produites par des champs électromagnétiques mobiles des enroulements 15 et 20 faisant partie des unités magnétiques 10 et 11 respectivement, et ce, selon le principe du moteur linéaire asynchrone. Le principe de fonctionnement du maintien du fluide de contact F dans la zone de contact correspond essentiellement à celui d'un moteur linéaire asynchrone à stator court unilatéral. Un tel moteur a en général un rail de réaction longitudinal comportant sur une face un corps de retour magnétique. lic long de la face opposée, le stator comporte, à une distance prédéterminée, l'enroulement d'excitation. Dans le dispositif de contact de la présente invention, le fluide de contact F représente le rail de réaction. Les corps de fer doux 32 et 33 représentent chaque fois les corps de retourlmagaétique, et les enroulements 15 et 20, avec les corps de fer doux 30 et 31, représentent le stator. Les enroulements 15 et 20 peuvent par exemple être alimentés en courant triphasé. Les unités magnétiques 10 et 11 produisent chacune dans l'entrefer 7 un champ magnétique mobile se déplaçant parallèlement à l'axe de rotation 2 depuis l'extérieur vers le centre de la zone de contact. Dans le fluide de contact F bon conducteur et non magnétique, sont alors induits des courants de Foucault selon la direction périphérique de la partie rotative de machine 3 , ces courants créant selon la loi de Lorentz, chaque fois une composante de force 35 et 36, perpendiculairement à la direction du flux magnétique dans l'entrefer 7 et perpendiculairement à la direction des courants de Foucault. Ainsi, les forces renfermantes latérales peuvent éviter l'écoulement du fluide de contact F vers l'extérieur de l'entrefer 7. La différence de pression hermétisante entre le fluide de contact F et l'atmosphère, sur les bords de l'entrefer, dépend du flux magnétique dans les zones marginales 12 et 13 et de la vitesse de progression du champ magnétique mobile. Ainsi, la différence de pression peut par exemple être influencée par le courant ou la tension des enroulements 15 et 20 ou par la fréquence du courant alternatif polyphasé Ce phénomène peut avantageusement être mis à profit pour de grandes vitesses de rotation de la partie rotative de machine 3.Dans ce cas, il s'exerce de grandes forces centrifuges, en particulier sur les parties externes, se trouvant loin de l'axe, de la partie rotative de la machine 3 ces force pouvant conduire à une faible dilatation radiale de la partie rotative de machine, et par conséquent à un rétrécissement correspondant de l'entrefer 7. Cette compression force le fluide de contact entraîné à s'étendre vers les faces latérales et à s'en écouler, ce qui est évité grâce aux composantes de forces renfermantes 35 et 36. Sur la figure 2, on a représenté un autre apode de réalisation d'un moteur unipolaire. Les parties correspondant à celles de la figure 1 sont affectées, dans cette figure 2, des mimes références. Une partie fixe de machine 41 à profil en forme de U entoure une partie rotative de machine 42 et il se forme ainsi entre ces deux parties de machine 41 et 42 un entrefer 43 ayant approximativement la forme d'un U, cet entrefer étant partiellement rempli avec le fluide de contact F. Les parties marginales 12 et 13 de la zone de contact se trouvent chacune dans une partie radiale de l'entrefer 43, de fa çon que pour la production des composantes de forces renfermantes 35 et 36 les unités magnétiques 10 et 11 soient chaque fois disposées dans des plans radiaux. Les deux unités magnétiques 10 et 11 se trouvant dans des plans verticaux, la largeur de la partie rotative de machine 42 de ce mode de réalisation de la machine peut être relativement faible, ce qui fait que les forces centrifuges agissant sur la partie rotative de la machine peuvent être limitées. En outre, il ne faut qu'une énergie plus faible pour renfermer le fluide de contact F dans la zone de contact dès que la partie de machine 42 se met à tourner.Lorsque la vitesse de rotation augmente, les particules du fluide de contact F voisines des surfaces des parties de machine sont entraînées par le frottement de ces surfaces, et ainsi, pour une vitesse de rotation supérieure, le fluide de contact tourne également. Les forces centrifuges ainsi produites augmentent avec la vitesse de rotation de la partie rotative de machine 42 et on peut alors réduire les forces de compression 35 et 36 produites par les unités magnétiques 10 et 11. Grace à cette réduction de la dépense d'énergie dans les deux unités magnétiques on limite corrélativement l'é- chauffement du fluide de contact F, échauffement qui pourrait influencer la conductibilité en courant du fluide de contact. La machine unipolaire partiellement représentée sur la figure 3 comporte, à l'inverse du mode de réalisation de la figure 2, une partie fixe de machine 51 entourée d'une partie rotative 52 de machine à profil en U. L'entrefer 53 formé entre ces deux parties de machine est, ici encore X partiellement rempli d'un fluide de contact F. La zone de contact comprend une région horizontale et des régions marginales verticales attenantes 12 et 13. Pour le reste, les parties de la machine de cette figure 3 correspondant à celles de la figure 1 sont affectées des mêmes références numériques.Dans ce mode de réalisation d'une machine, les forces centrifuges agissant sur le fluide de contact peuvent devenir si élevées que, pour de grandes vitesses de rotation, il devient inutile d'exercer une compression supplémentaire au moyen des forces 35 et 36 qui sont produites par les unités magnétiques 10 et 11 attenantes aux zones marginales 12 et 13. Le fluide de contact peut alors être maintenu autostablement dans la zone de contact. I1 est alors avantageux de piloter ou réguler la grandeur de composantes de forces 35 et 36, par exemple selon la vitesse de rotation de la partie rotative de la machine 52. Les machines représentées sur les figures du dessin peuvent évidemment entre également entrarnées sous une pression extérieure réduite ou en présence d'un gaz de protection, afin d'éviter le cas échéant une action d'oxydation ou d'humidification du fluide de contact. On peut en outre également prévoir d'autres moyens, comme par exemple le rétrécissement de l'entrefer dans les zones marginales afin d'assister les forces renfermantes dans la zone de contact. REVkDICkTI0NS 1. Dispositif de contact d'une machine, en particulier d'une machine unipolaire, comportant des parties disposées concentriquement à un axe et mobiles l'une par rapport à l'autre1 un entrefer annulaire étant formé entre ces deux parties de machine et renfermant un fluide de contact dans une zone de contact, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins dans les parties marginales latérales de la zone de contact, sur la partie fixe de machine et/ou sur la partie rotative de machine, au moins une unité magnétique dont les enroulements sont disposés concentriquement autour de l'entrefer et produisent un champ électromagnétique mobile créant une composante de force renfermant le fluide de contact dans la zone de contact. 2. Dispositif de contact selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la tension d'excitation et/ou le courant d'excitation dans lesdits enroulements des unités magnétiques peuvent être pilotés. 3. Dispositif de contact électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait que la fréquence du courant dtexcitation dans les enroulements peut être pilotée 4. Dispositif de contact électrique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que les enroulements sont disposés sur la partie fixe de machine. 5. Dispositif de contact électrique selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé par le fait que l'on prévoit une régulation de la grandeur de la composante de force, la vitesse de rotation de la partie rotative de machine servant de valeur réelle à la régulation. 6. Dispositif de contact électrique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que l'entre- fer a, tel que vu selon une coupe axiale, une forme au moins approximativement en U et est ouvert face à l'axe, et que les unités magnétiques sont disposées dans des surfaces perpendiculaires à l'axe. 7. Dispositif de contact électrique selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que les champs mobiles produits par les unités magnétiques sont créés selon le principe du moteur linéaire asynchrone.