Brevet FR2299755A1 — publié le 19760827

Dans les machines électriques unipolaires, les pièces tournantes et fixes s'entourant l'une l'autre, se faisant face et raccordées, pour la transmission du courant, par des contacts glissants, en particulier des contacts glissants à liquide, peuvent hêtre réalisées sous forme de pièces cylindriques. Une telle machine unipolaire est décrite dans la publication du Naval Ship Research and Development Center Anapolis, Maryland, de juillet 1973 dans l'article de T.J. Doyle intitulé "Super conductive DC ship drive systeme11. Cette machine électrique unipolaire connue est conituée par un ou plusieurs cylindres qui, montés de façon isolée sur un arbre, tournent dans un champ magnétique produit par des enroulements d'excitation parcourus par un courant continu et sont raccordés, par l'intermédiaire de contacts glissants, en particulier de contacts glissants à liquide, à une partie cylindrique fixe les entourant.D'autre part, cette machine est entourée par une culasse en fer de sorte que le flux magnétique circule autour de l'enroulement d'excitation et du fait de la plus forte concentration dans la zone des cylindres tournants induits, est plus ou moins dévié par les contacts glissants se trouvant au voisinage de l'enroulement d'excitation. I1 s'ensuit que le champ dans la zone des contacts glissants doit être diminué pour que des courants de foucault ne soient nas induits dans les liquides métalliques utilisés comme contacts glissants et qu'il ne se forme aucune force susceptible de provoquer des pertes. Dans cet -agencement connu, on ne peut, toutefois, pas augmenter la densité du flux dans la culasse en fer bien au-dessus de la saturation de ce dernier, si bien que la puissance obtenue se trouve limitée pour des dimensions données de la machine. L'objet de l'invention consiste, par conséquent, à abaisser, dans une machine unipolaire, le champ magnétique dans la zone des contacts glissants,en particulier des contacts glissants à liquide, et ce, sans provoquer une limitation de la puissance de la machine. Dans une machine électrique unipolaire du type précité, ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que les enroulements d'excitation sont chacun divisé en deux enroulements partiels de diamètre différent, placés concentriquement l'un par rapport à l'autre et entre lesquels les contacts glissants sont disposés dans la zone d'un champ plus faible ou même rament à zéro.Comme les champs magnétiques continus produits par les enroulements partiels de diamètre différent disposés concentriquement se superposent, on a la possibilité, par un choix judicieux de l'excitation de chaque enroulement partiel, de rendre exempte de tout champ la zone comprise entre les deux enroulements d'excitation partiels ou d'y régler un champ d'une valeur et d'un sens déterminés qui est indépendant du flux utile de la machine. On peut ainsi supprimer la formation de courants de foucault dans les contacts glissants, de sorte que les pertes électriques restent faibles. Par ailleurs, grâce à la possibilité de modifier la direction du champ dans la zone dans laquelle se trouvent les contacts glissants et ce indépendamment du flux utile proprement dit, il en résulte encore l'avantage, avec les contacts glissants à liquide, que le rendement de la machine peut être augmenté. Cette augmentation peut titre obtenue en faisant en sorte que la force électrodynamique s'exerçant tangentielle- ment sur le métal liquide et produite par le courant s'écoulant radialement dans un champ magnétique, agisse dans le sens de la rotation du rotor de façon que le frottement du liquide contre les parois coopère à cette rotation du rotor.Par une adaptation appropriée de l'excitation des enroulements partiels, cette possibilité peut être exploitée aussi bien pour le fonctionnement en moteur que pour le fonctionnement en générateur de la machine unipolaire. Pour régler la grandeur et la direction voulues du champ dans la zone des contacts glissants par modification de l'intensité de l'excitation, il est recommandé de prévoir un système de réglage indépendant pour chaque enroulement partiel, par exemple pour le réglage de la grandeur du courant continu. On peut, toutefois, aussi diviser les spires d'un enroulement d'excitation partiel de façon qu'une partie des spires soit parcourue à chaque fois par un courant continu constant, tandis que la valeur du courant continu qui alimente les autres spires peut être modifiée. Par ailleurs, avec les enroulements d'excitation partielle concentriques, on peut prévoir des nombres de spires différents ou meAme prendre des dispositions pour qu'une partie des spires puisse entre déconnectée. La puissance d'une machine électrique unipolaire peut entre augmentée en réalisant les enroulements d'excitation sous forme d'enroulements supraconducteurs, attendu qu'alors on peut obtenir des valeurs d'intensité de champ magnétique particulièrement élevées. Dans un tel mode de réalisation de la machGne-il est préférable, pour simplifier la construction et pour diminuer les pertes de chaleur pendant le fonctionnement, que les enroulements d'excitation partielle disposés concentriquement l'un par rapport à l'autre soient logés dans un cryostat commun, de façon à réduire le nombre des traverseeF dans le cryostat.Comme toutefois, pendant le fonctionnement de la machine unipolaire, la majeure partie de la chaleur est introduite par les traversées, la réduction de leur nombre permet de diminuer considérablement les pertes provoquées par la puissance de refroidissement fournie par les machines de réfrigération. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé,sur lequel la figure 1 est une coupe longitudinale représentant la structure de principe d'une machine électrique unipolaire réalisée selon l'invention la figure 2 représente la courbe du champ magnétique produit par l'enroulement d'excitation dans la zone des contacts glissants à liquide de la machine la figure 3 représente schématiquement un contact glissant à liquide la figure 4 représente également schématiquement la disposition de l'enroulement d'excitation dans un cryostat la figure 5 est une coupe longitudinale représentant une variante de la machine électrique unipolaire selon l'in- vention la figure 6 représente également en coupe longitudinale un détail modifié de la machine selon la figure 5 Dans la machine électrique unipolaire représentée sur la figure 1, l'arbre 1 porte, pal l'interm'diaire d'ur; support 2, le cylindre 3 monté de façon isolée et entouré par un cylindre concentsique fixe 4 Sur les bords externes des cylindres 7 et 4 engagés l'un dans l'autre sont prévue dcs contacts glissants à liquide 5. Chacun de ces contacts comporte un canal annulaire médian 6 délimité, d'une part par les parois de lu partie fixe, c'est-à-dire du cylindre 4 ou d'une bague fixe 7, et, d'autre part, par une surface de contact 8 disposée sur la partie tournante solidaire du cylindre 3.Ce canal annulaire 6 contient le liquide métallique électriquement conducteur et il peut être prévu en plus des moyens d'étanchéité latéraux non représentés empêchant le liquide métallique de s'échapper du canal annulaire 6. Pour produire le champ magnétique de la machine unipolaire, on utilise des enroulements d'excitation qui sont chacun installé également sur les bords externes des cylindres 3 et 4 et, par conséquent, dans la zone des contacts glissants à liquide 5. Chaque enroulement d'excitation est constitué par deux enroulements partiels 9 et 10 placés concentriquement -l'un par rapport à l'autre, l'enroulement partiel 9 ayant un plus grand diamètre que les contacts glissants à liquide 5 et l'enrouleent partiel 10 un plus petit diamètre les deux enroulements d'excitation partiels 9 et 10 sont parcourus par un courant continu dirigé dans le mSme sens et produisent ainsi un champ magnétique 9 (indiqué par des flèches) dans lequel tourne le cylindre 3. Dans le cylindre 3, il se forme de ce fait une tension induite qui, en cas de circuit extérieur fermé, produit un courant I . Les flèches sur la figure 1 indiquent la direction du courant I lors du fonctionnement en générateur de la machine unipolaire Dans les contacts glissants à liquide, le courant I passe à chaque fois de la partie fixe à la partie tournante (ou inversement) et traverse ainsi dans le sens radial le liquide métallique se trouvant dans le canal annulaire médian 6. Par suite du flux magnétique de densité B (voir figure 3) tra- versant, en outre, cette zone dans le sens axial, il se produit une force F s'exerçant perpendiculairement au plan du courant I et du champ B, c'est-à-dire tangentieliement au canal annulaire médian 6. Cette force F agit sur le iitiide métallique conducteur et, suivant sa direction, le met en rotation. En cas de fonctionnement en générateur, la direction de la force F est opposée au sens de rotation du rotor, tandis que, en cas de fonctionnement en moteur, elle se trouve dans le même sens, lorsque le diamètre de l'enroulement dexcltation est plus grand que celui des zones de contact. Comme dans la machine unipolaire réalisée selon l'in- vention, l'enroulement d'excitation est constitué par deux enroulements partiels 9 et 10 disposés concentriquement l'un dans l'autre, il se produit dans la zone comprise entre les deux enroulements partiels1 une résultante du champ qui est représentée sur la figure 2. La courbe 11 représente l'allure de l'intensité du champ produit par l'enroulement partiel 9 et la courbe 12 l'allure de l'intensité du champ produit par l'enroulement partiel 10, et ce, en cas d'excitation à peu près égale. A partir de ces deux courbes, il se forme une résuitante illustrée par la courbe 13.Comme les flux 11 et 12 dans la zone comprise entre les deux enroulements partiels 9 et 10 sont de sens opposés, 11 en résulte un passage par zéro du flux résultant, et, par conséquent, de la courbe résultante 13 et, au voisinage de ce dernier, ae faibies champs dirigés soit dans un sens soit dans l'autre.Par un choix judiciex de i'excitation de chaque enroulement partiel 9 et 10, on peut décaler localement le passage par zéro ae la courbe 13 du champ résulte tant afin de renare la zone du canal annulaire médian 6 des contacts glissants à liquide 5 soit exempte de champ soit y régler un champ d'une direction et d'une grandeur déterminées, en faisant en sorte que ce soit l'exeitasion de l'enroulement partiel 9 ou de l'enroulement partiel 10 qui prédomine. Comme le sens du courant de charge I dépend du sens du flux ut; le # et reste le même, on peut, par conséquent, déterminer a volonté le sens et la granoeur de la ferce F sgissint sar le liquide métallique Si la force B s'exerce dans le sers de la rotstion du rotor, on peut produire, par exemple en fonction nement en moteur, un souple sapplémentaire qui augmente le rendement. La figure 4 représente schématiquement = montage p3r- ticulièrement avantageux et économique des deux enroue ents d'excitation partiels 9 et 10. Ces enroulements partiels 9 et 10 sont racsordés densemble à chaque sortie et log@s dans un cryostat commun 14 qui, ainsi, ne comporte que trois traversées 15 sort@nt de la zone de tampèrature in plus froide. Cet agencement limite la possibilité d'un apport de @@aleur dans e cryostat 14 La figure 5 représente, en variante, un autre mode de réalisation de la machine unipolaire selon l'invention. Dans cette machine, l'arbre 16 porte un support 17 ouvert d'un côté et sur lequel sont fixés de façon isolée deux cylindres 18 et 19 situés l'un derrière l'autre dans le sens axial. Ces deux cylindres sont entourés par deux cylindres concentriques fixes 20 et 21 se chevauchant en partie au centre de la machine. Sur le côté extérieur à droite de la machine unipolaire se trouve, en outre , l'anneau fixe 22. Pour assurer la liaison entre les parties tournantes et fixes de cette machine unipolaire, il est prévu les contacts glissants à liquide 23, 24, 25 et 26. L'anneau fixe 22 est, par le contact glissant à liquide 23, relié au cylindre tournant 19 sur la face extérieure gauche duquel le contact glissant à liquide 24 assure la liaison avec la face extérieure droite du cylindre fixe 20. La liaison entre la face extérieure gauche du cylindre fixe 20 et la face extérieure gauche du cylindre tournant 18 est constituée par le contact glissant à liquide 26, tandis que sur la face extérieure droite du cylindre tournant 18, le contact glissant à liquide 25 assure laliaison avec la face extérieure gauche du cylindre fixe 21. Pour produire le champ magnétique T (représenté par des flèches), on utilise l'enroulement d'excitation disposé au centre de la machine et constitué par deux enroulements partiels concentriques 27 et 28. Ces deux enroulements partiels 27 et 28 ont des diamètres différents, l'enroulement partiel 28 de plus petit diamètre se trouvant à l'intérieur du support 17. Les contacts glissants à liquide médians 24 et 25 sont donc insérés entre les deux enroulements partiels 27 et 28 et l'on peut, par une excitation appropriée, soit maintenir cette zone exempte de champ, soit, comme déjà décrit en référence- à la figure 1, y provoquer un champ dirigé dans un sens déterminé. bur les contacts glissants à liquide extérieurs 23 et a6, la densité du flux utile i est déjà relativement fai Dle, mais on peut, pour compenser ce flux, prévoir encore un autre enroulement 29 fonctionnant à la température normale et n'exigeant par conséquent que peu de frais d'installation. La disposition et l'excitation de cet enroulement 29 sont réalisés de façon qu'une compensation complète ou presque du flux magnétique provoquée par les enroulements partiels 27 et 28 soient obtenus sur les contacts glissants à liquide 23 et 26 et à éviter ainsi des courants de foucault dans ces aerniers. La figure 6 représénte un autre mode ae réalisation avantageux dans lequel le contact glissant à liquide situé à l'extérieur est entouré par deux enroulements de compensation 30 et 31 de façon qu'il soit placé en même temps dans la zone d'une composante axiale de l'enroulement 30 et dans la zone d'une composante radiale de l'enroulement 31. Par un réglage approprié des courants d'excitation dans les enroulements 30 et 31 excités indépendamment l'un de l'autre, on peut obtenir un champ résultant de même grandeur, mais de sens opposé, que le champ utile à cet endroit, c'est-à-dire que la zone du contact glissant à liquide 26 est exempte de champ , si bien que des courants de foucault et, par conséquent, les pertes en résultant ne peuvent pas se produire. Ri-VLflI CA IONS 1. Machine électrique unipolaire constituée par un ou plusieurs cylindres qui, montés de façon isolée sur un arbre, tournent dans un champ magnétique produit par des enroulements d'excitation parcourus par un courant continu et sont reliés par des contacts glissants, en particulier des contacts glissants à liquide, à une partie cylindrique fixe les entourant, des moyens étant prévus pour abaisser le champ dans la zone desdits contacts glissants, caractérisée par le fait que les enroulements d'excitation sont divisés chacun en deux enroulements partiels de diamètre différent disposés concentriquement l'un par rapport à l'autre et entre lesquels les contacts glissants sont installés dans la zone de champ faible ou ramenés à zéro. 2. tachine électrique unipolaire selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'intensité de ltexcita- tion de chaque enroulement partiel peut être modifiée indépendamment l'une de l'autre. 3. Machine électrique unipolaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les nombres de spires des enroulements partiels concentriques sont différents. 4. Hachine électrique unipolaire selon la revendication 2 ou 3, caractérisée par le fait qu'une partie des spires des enroulements partiels est réalisée de façon à pouvoir être déconnectée. 5. Machine électrique unipolaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'au moins dans un des enroulements partiels une partie des spires est parcourue par un courant continu rZglable indépendamment. 6. archine électrique unipolaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'un des enroulements partiels est constitué par deux enroulements séparés dont l'un est alimenté par un courant continu dont l'intensité peut être modifiée indépendamment de celle de l'autre. 7. tachine électrique unipolaire selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'enroulement d'excitation se trouve au centre du cylindre constitué par deux parties mutuellement isolées et placées l'une derrière i'autre dans le sens axial et comportant des contacts glissants disposés aussi bien au centre que sur les bords des cylindres,caractérisée par le fait qu'à proximité des contacts glissants extérieurs situés sur le bord est disposé au moins un enroulement parcouru par un courant continu. 8. Machine électrique unipolaire selon la revendication 7 , caractérisée par le fait que les enroulements partiels médians formant l'enroulement d'excitation sont supraconducteur s tandis que les enroulements extérieurs sont prévus pour fonctionner à la température normale. 9. Machine électrique unipolaire selon la revendication 8 avec enroulements d'excitation supraconducteurs caractérisée par le fait que les enroulements partiels disposés concentriquement l'un par rapport à autre sont logés dans un cryostat commun.