Brevet FR2352427A1 — publié le 19771216

La présente invention concerne les générateurs et les moteurs électriques unipolaires pour haute et très haute vitesse, à f.e.m. élevée et courant d'induit démultiplié. les moteurs unipolaires conventionnels ont une plage d'utilisa tion limitée par leur bas voltage d'alimentation et leur forte demande de courant. Cela étant du à l'unique spire que peut re présenté l'induit: axe-rotor-collecteur statorique suivant la formule bien connue: U = N x t/s x o. la seconde limitation provient des collecteurs, lorsqu'ils sont à l'état solide, charbons où autres, la friction et la résistivité ohmique engendrent des pertes énergétiques importantes, dispersées en radiations thermi- que, causant l'usure rapide des balais. Lorsqu'ils sont à métal liquide, mercure où autres, la rotation de celui-ci entraine sa pression par force centrifuge et augmente la résistance mécanique, étant en mouvement il est plus sujet à l'oxydation par le brassage moléculaire de surface. Suivant le premier dispositif de l'invention présente, le rotor est constitué, entre autres, de plusieurs sections actives, disques où anneaux, réunies en circuit électrique série par les collecteurs extérieurs, permettant de multiplier la f.é.m. et de démultiplier le courent de l'induit pour une puissance donnée. la seconde innovation équipant ce moteur, a'approprie aux collecteurs au mercure immobile, sur lequel glissent les lames balais circulaires à faible surface de contact. l'ensemble de faible encombrement, offrent une faible résistance ohmique et une très faible résistance mécanique dû au contact électrique glissant lame-mercure. Circuit magnétique statorique et rotorique. La plus grande partie de la masse de ce moteur est répartie dans le stator, composé de la pièce polaire annulaire i faisant office de boitier, ensérrant deux pièces latérales 2 & 3 séparées par les bobines inductrices 4 & 5, l'ensemble de forme trapèzoldale pernet d'élargir le circuit magnétique statorique vers une dimi - nution de son diamètre, donc de maintenir une réluctance constante et d'augmenter la surface de couplage à l'entrefer 35 en ont réduisant sa réluctance. Cet ensemble statorique en fer doux avec les pièces polaires du rotor en alliage à perméabilité et saturation magnétique élevées, tel que le permendur, concentrent le flux inducteur sur une courte section centrale du rotor. Cet agencement permet de réduire le diamètre du rotor et par conséquent celui des collecteurs diminuant l'incidence des lames balais sur le mercure. Le mercure des collecteurs. Traversé à la fois, verticalement par le courant du rotor IR 39 capté par les lames circulaires 10 & 30 et à angle droit par les lignes de force du champ magnétique 47 des collecteurs ( axial et radial ) le mercure 12 est alors soummis à une force de déplacement, ( force de Laplace ) de sens contraire à la force centrifuge exercée par la base capillaire 37 des lames balais circulaires 10 & 30, en raison de la direction inverse du courant de l'induit dans le stator par rapport au rotor, pour une polarité magnétique identique. En conséquence l'effet de ces deux forces sur le mercure est nul, pour autant quelles soient égales. D'un sens la force centrifuge est proportionnelle à la vitesse rotative, et du sens inverse, à la force de Laplace produit du courant d'induit IR par le flux magnétique inducteur. Paramètres variables. Il y a donc deux paramètres variables et instables, le premier étant la vitesse de rotation subissant de grandes variations de la mise en marche au régime d'opération choisi. Le deuxième paramètre s'y rapportant, étant le courant d'induit, qui est maximum à la mise en marche, et est sujet également à des variations par les changements de charge du moteur, d'où la nécessité de faire varier un troisième paramètre soit le flux magnétique traversant les collecteurs, en fonction de l'inégalité des deux premiers. Bobines B2 & B3 contrôlant le flux magnétique des collecteurs. Opération effectuée par 12 14 qui agit par la déflexion du flux magnétique traversant les collecteurs radiaux et par L3 19 qui agit comme inductrice pour les collecteurs axiaux, suivant les fig. 3 & 4; L2 & B3 sont alimentées par circuit électronique transistorisé 28. 12 & B3 fonctionnent en sens inverse, en effet en prenant un exemple: lorsque la mise en marche est effectuée, la force centrifuge est nulle et IR est à son maximum d'où la nécessité d'annuler le flux magnétique des collecteurs radiaux par déflexion, opération effectuée par L2 parcourue par son courant maximum, tandis que le flux des collecteurs axiaux est annulé par un courant nul dans T3, en conséquent l'alimentation des deux bobines est effectuée par un montage différentiel. Circuit à transistors fig. 10 constitué per les transistors T1 s T2 ayant leur résistance d'é- metteur commune ?V1 et variable pour ajuster le courant de B2 & BR L3 alors que RV2 sert à équiliDrer respectivement l'action de L2 à L3 sur le champ magnétique des collecteurs axiaw et radiaux. le signal du premier paramètre LtR, développé par la vitesse de rotation issue de la f.c.é.m. de la première section active, est appliqué à la base de Ti par l'intermédiaire de la prise médiane du diviseur de tension composé de RV3 et de R1. Le signal du derième paramètre IR est développé par chute de tension dans .3, en raison de la forte intensité de l'induit ( plusieurs centaines d'ampères ), R3 est de faible valeur 1 mil li-ohm et moins afin de limiter la dissipation, la faible tension doit-être amplifiée par le circuit intégré CI et appliqué à 572, R2 et RVt forment un diviseur de tension où suivant le circuit intégré de courant, pour ajustement du courant de L3 à L2 à la vitesse du rotor nulle où réduite et le courant d'induit maximum, tandis que Ri et RV3 s'ajuste à la vitesse de rotation maximum et courant d'induit minimum. Ainsi lorsque la valeur du premier paramètre EtR est nulle au départ du moteur et que IR est maximum, Ti est bloqué et T2 conduit alimentant L2 qui dévie le flux des collecteurs radiaux annulant la force de Laplace produit de IR par ; le blocage de T1 annule le courant de L3 et par conséquent le flux des collecteurs axiaux. les lames balais circulaires. Ires lames circulaires peuvent être vissées où serties sur les disques 8 & 17, une résine époxy 9 ou une autre matière adhérente appropriée est coulée entre les lames, les rendant solidaires en un bloc compact, résistant aux vibrations et aux vitesses de rotation élevées. De faible épaisseur 0,5 mm, n'offrant pas moins une surface de contact intéressante, de 2 cm pour le modèle présent, elles sont en métal non magnétique, d'alliage semblable aux lames mouillées des relais au mercure. Les lames circulaires sont plaquées de chaque coté, d'un métal ou d'un oxyde Inattaquable par le mercure et résistant à la friction, ce dispositif permet suivant la fig. 4, de garder en niveau inférieur, juste la base mouillée 37 de la lame en contact avec le mercure. Ce contact capillaire 38 est très important, il permet à la lame de fonctionner mime à des niveaux légerement supérieurs suivant la fig. 3 et de glisser à grande vitesse sur le mercure, celui-ci étant maintenu immobile suivant la description précédente. TJn autre avantage, le mercure n'étant nas en mouvement, il ne e melange pas à l'air, les compartiments 32 entre les lames étant rendus élances par les contacts capillaires 38, donc de l'air, me;tetl- le c-rcure à l'abri de lto--yeavion. Facultativement, sur les deux surfaces extérieures aux comparti- ments étanches, un liquide isolant à faible indice de mouillage peut y être déposé en une couche mince. Tjes collecteurs à mercure. Parallèles à l'a-e, les collecteurs annulaires 11 & 31 en forme de gouttière étroite contenant le mercure, sont en fer ou en alliage ferro-magnétique, constitués intérieurement d'une partie saillante 42 formant une pièce polaire destinée à concentrer le flux magnétique sur la jonction lame-mercure, zone de surface oìì le mercure subit la force centrifuge par le contact capillaire de la lame. la pièce polaire 42 partage la paroi périphérique du collecteur en deux espaces latéraux 41 & 43, autorisant en cas d'incident qui entraînerait le mercure en rotation par fcrce centrifuge et le plaquant sur la paroi, à le contenir sans qu'il puisse se répandre extérieurement. le premier espace 41 est rem- pli de mercure d'une profondeur variant entre 3 et 4 mm., nrofondeur n'offrant pas de résistance mécanique au balai. out l'intérieur du collecteur est isolé par oxydation à l'exception du fond 44 pour le contact électrique, dispositif ayant pour but la diffusion en ligne droite du courant traversant le mercure ce dernier étant dix fois plus résistif que le fer; résistance ohmique qui n'aurait pas permis une diffusion du courant 39 à angle droit avec les lignes de force 47 du champ magnétique, fac teur important au niveau du contact 37 pour rendre optimale la force de Laplace suivant la fig. 3 & 4 (pl.1). Tes collecteurs sont fixés par un emboitement fileté 45 à la base annulaire ferro-magnétique 13 isolée par oxydation métallique, chaque base est réunie par soudure à son circuit électrique tubulaire 15, en cuivre de faible épaisseur 0,1 mm., recouvert d'oxyde magnétique 16, à résistivité ohmique élevée, cet ensenble n'offre que peu de réluctance dans le circuit magnétique inducteur. Bobine de concentration et de linéarité 15. Sous l'effet d'une sursaturation de la section centrale du rotor, le flux magnétique traversant horizontalement les collecteurs ra dieux subit une dispersion et diverge axialement en sortant en grande partie verticalement du mercure, inconvénient pallié par la disposition d'une bobine de concentration 49 du flux magnétique, alimentée en parallèle avec les bobines inductrices 4 & 5 Il et agissant suivant la fig. 7 en obligeant les lignes de force à la contourner par la pièce polaire 50, de couplage stator-rotor. En raison de la diminution du diamètre de chaque collecteur et pour garder une induction B constante à chaque section, L5 est ajustée pour un champ magnétique des collecteurs radiaux dégres sif, une fuite magnétique à donc lieu à chaque paroi de collec teur 40, le rapport entre le flux entrant et sortant horizontalement est de 4/5 pour le modèle présent. Bobine B4 de contre réactionde l'induit. L'induit par son circuit électrique, axe-rotor-collecteur statorique multiplié par autant de fois qu'il y a de disques ou d'an veaux, constituant autant de spires inductives, provoquant l'effet secondaire de saturer la pièce polaire entourée. Cet effet secon daire appelé réaction d'induit est neutralisé par la disposition d'un enroulement 26 de plusieurs centaines de spires, disposées en circuit imprimé autour de la couronne de la culasse 6 soumise à la réaction d'induit. Cet enroulement T4 à une de ses connexions réunie en point commun avec la base de la première section active, la seconde peut-être réunie à une bague de cuivre pour un simple collecteur au charbon en raison de la faible intensité qui est de quelques ampères.Ce courant doit-être controlé par circuit transistorisé monté sur le meme cIrcuit 28; alimentée en sens inverse B4 peut controler la vitesse du moteur par saturation de la même pièce polaire 6; en version générateur c'est le débit du courant qui peut-être controlé, de la coupure à la pleine charge. Circuit électrique de l'induit. Le circuit électrique de l'induit est conforme aux figures 8 & 9 du plan 2. De la première borne d'alimentation 23, la f.é.m. est appliquée au premier collecteur axial 31a à mercure 12, le courant est capté par la lame circulaire 30a sertie à un disque de con nexion 17a emboité en son centre d'un tube de cuivre 18a dont 1'- autre extrémité emboîte un disque actif 8a soummis à la force contre électromotrice, la périphérie du disque moteur est sertie d'une lame circulaire 10a de laquelle le courant est capté axialement par le mercure 12 du collecteur radial lia connecté à sa base circulaire 13a, laquelle est soudée au cylindre i5a à la base duquel est connecté par soudure le filetage 22a, bouclant la première spire au deuxième collecteur axial 31b, l'opération se répète autant de fois qu'il y a de disques, åusqu'au dernier collecteur radial fermant le circuit de l'induit relié à la deuxiè- me borne d'alimentation. les pièces polaires servant de conduc teur au circuit électrique de l'induit et celles en contact mé- canique sont isolées par oxydation ou tout autre procédé. Circuit magnétique des collecteurs axiaux. Etant en dehors du circuit magnétique statorique, les collecteurs axiaux 31, sont induits par le circuit magnétique indépendant constitué par la pièce polaire périphérique 21; la pièce polaire axiale 20; les disques de connexions ferro-magnétique 17 et la base de la culasse rotorique 6 ferment le circuit, le flux magnétique du stator ne pouvant être dérivé car de polarité inverse L3 19 agit donc comme inductrice parallèle à 11. Montage et démontage mécanique du moteur. Afin de faciliter le montage et le démontage du rotor pour l'entretien du moteur, les collecteurs axiaux sont placés dans le socle 24 sur lequel viennent se visser en 48 les pièces annul aires statoriques 1 & 3 formant le chassis. le moteur par son assise verticale en raison des collecteurs à mercure parallèles à l'axe 34 peut avoir ce dernier maintenu par les bagues de glis sement 33 et reposant sur un support à roulement hydraulique 25 suivant le modèle ou tout autre support approprié. les rondelles de butée 29 maintiennent les lames collectrices en contact avec le mercure. le support axial supérieur 27 sous lequel est fixé le circuit de contrôle à transistors 28, est également vissé par emboîtement fileté 46 sur la pièce polaire 2, elle même fixée sur la pièce 1. Cette version de moteur, objet de l'invention, peut-être utilisée principalement pour l'obtention de vitesses de rotation élevées, appliquables notamment au compresseur où décompresseur d'air centrifuge supersonique à grand débit et forte pression. Equipé de la culasse à enroulements saturants L4, il peut-être utilisé comme générateur à grande variation de courant s'appro priant au convertisseur d'énergie cinétique en énergie électrique. REVESDICATIOWS 7 Moteur électrique unipolaire alimenté par une force électromotrice multipliée pour un courant d'induit démultiplié, cAractérisé par le fait que la multiplication de la'force électromotrice est obtenue, selon la première version, par autant de disques constituant les pièces actives du rotor, ces dernières sont réunies en un circuit électrique série par les collecteurs statoriques à métal liquide immobilisé. 2 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les sections actives du rotor selon la deuxième version, sont constituées par des anneaux cylindriques emboités les uns dans les autres et réunis en un circuit électrique série par les disques de connexions et des collecteurs, con formément à l'invention. 3 Moteur électrique unipolaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il possède deux groupes de collecteurs annulaires du type à mercure immobilisé; en métal ferro-magneti que chaque collecteur est traversé horizontalement par un champ magnétique et d'autre part verticalement par le courant de l'in duit, dispositif engendrant une force de déplacement sur le mer cure de sens contraire à la force centrifuge exercée par le con tact des lames balais circulaires. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ce collecteur comporte intérieurement une pièce polaire annulaire concentrant au niveau du contact lame -mercure, le flux magnétique. 5 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'intérieur du collecteur à l'eteption du fond, est isolé électriquement par oxydation où autres procé dés, pour permettre la diffusion du courant dans le mercure en ligne droite. 6 Moteur électrique unipolaire selon la revendication 1 & 3, caractérisé par le fait que les pièces actives, disques où anneaux sont cerclées par les lames balais circulaires établissant les liaisons électriques rotor-stator par contact glissant sur le métal liquide contenu dans les collecteurs annulaires. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que seule la base de la lame, faisant con- tact avec le métal liquide, est nouille par affinité chimique, tandis que les cotés radiaux sont plaqués d'un oxyde ou d'un métal - inattaquable au métal liquide et ayant une bonne résistance à la friction. 8 Dispositif selon la revendication 6, caractéricé par le fait qu'une résine époxyde ou toute autre ma tière appropriée, est coulée sur fibres résistantes entre les lames circulaires d'un groupe, les rendant solidaires en un bloc compact et résistant. 9 Moteur électrique unipolaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait, que le flux magnétique traversant hori zontalement les collecteurs, est controlé par une bobine de dé ilexion pour les collecteurs radiaux et inductrice pour les col lecteurs axiaux. 10 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les deux bobines de contre fonction nant en sens inverse, sont alimentées par un circuit électronique diffdrentiel, qui, piloté par les signaux électriques des deux paramètres variables, soit la vitesse rotative et le courant d' induit, agit sur un troisième paramètre: le flux traversant les collecteurs afin d'immobiliser le métal liquide contenu dans les collecteurs. 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le courant des deux bobines est ajusté par la résistance variable des émetteurs communs, ainsi que séparemment par la résistance variable shuntant la bobine de dé flexion radiale. 12 Moteur électrique unipolaire selon la revendication I & 3, caracterizé par le fait que le flux traversant les collecteurs radiaux est concentré et maintenu dans ces derniers par une bobine inductrice couplée en addition de flux avec la bobine inductrice du stator et disposée suivant l'invention. 13 Moteur électrique unipolaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un enroulement inductif réalisé par circuit imprimé autour de la culasse rotorique, peut équipé le rotor afin de compensér la réaction de l'induit. 14 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque disque est alimenté par un tube axial électriquement isolé, et dont l'autre extrémité duquel y est fixé un disque de connexion ferro-magnétique.